Материал: Chapter2

130

циумами

супергигантов

.

Например

, 

альянс

фирм

 Intel 

и

 Hewlett-Packard 

совместно

гото

-

вит

к

производству

уже

упоминавшийся

кристалл

  «Itanium», 

при

-

званный

заменить

   

популярный

 Pentium. 

Второй

пример

  —

содружество

недавних

конкурентов

 IBM 

и

 Motorola, 

с

 1992 

года

развивающих

совместно

с

 Apple 

линию

мощных

 RISC-

процессоров

PowerPC (Power Performance Chip — 

высокопроизводительный

чип

).

Совершенствование
архитектуры

К

сожалению

, 

бесконечно

уменьшать

размеры

элементарных

переключа

-

тельных

схем

невозможно

, 

так

как

они

ограничены

снизу

размерами

кристаллических

решеток

. 

Точно

так

же

нельзя

беспредельно

повышать

тактовую

частоту

, 

так

как

скорость

распространения

электрического

тока

конечна

.

По

-

видимому

, 

в

ближайшее

время

элементные

возможности

мик

-

росхем

подойдут

к

теоретическому

пределу

, 

дальнейшее

повыше

-

ние

производительности

компьютеров

будет

достигаться

только

за

счет

совершенствования

архитектуры

, 

которое

развивается

в

четы

-

рех

основных

направлениях

.

1. 

Увеличение

разрядности

.

Тенденция

к

повышению

разряд

-

ности

отчетливо

прослеживается

в

истории

микропроцессоров

, 

мы

об

этом

уже

говорили

. 

Современные

кристаллы

в

основном

 32-

раз

-

рядные

, 

однако

продвинутые

микросхемы

, 

например

, PowerPC, 

а

также

перспективные

массовые

модели

, 

например

, <<Merced>> 

бу

-

дут

 64-

разрядными

. 

По

-

видимому

, 

в

будущем

можно

ожидать

и

по

-

явления

 128-

битовых

чипов

.

2. 

Движение

в

сторону

 RISC

. 

Аббревиатура

 RISC 

расшифро

-

вывается

как

 Reduced Instruction Set Computing —

вычисления

с

со

-

кращенным

набором

команд

. 

Для

того

, 

чтобы

понять

смысл

этого

явления

, 

нужно

вернуться

к

ранней

истории

ЭВМ

. 

В

те

времена

алгоритмические

языки

и

компиляторы

еще

не

были

известны

и

все

программирование

велось

вручную

, 

в

командах

процессора

.

Поэтому

разработчики

компьютеров

старались

сделать

систему

ко

-

манд

удобной

для

ручного

программирования

, 

насытив

ее

сложны

-

ми

и

емкими

командами

. 

Например

, 

одной

машинной

командой

131

можно

было

вычислить

функцию

 log 

или

 sin, 

или

преобразовать

число

в

другую

систему

счисления

. 

Репертуар

машинных

команд

получался

достаточно

сложным

, 

например

, 

в

 IBM-360 

были

реали

-

зованы

 144 

команды

центрального

процессора

. 

Такая

организация

системы

команд

получила

название

 CISC — Complex Instruction Set

Computing, 

т

.

е

. 

вычисления

со

сложным

набором

команд

.

Первые

микропроцессоры

унаследоали

от

 mainframes 

идеоло

-

гию

 CISC. 

Стандартный

набор

команд

чипа

 i8086 

и

всех

последую

-

щих

поколений

процессоров

 Intel 

содержит

около

ста

инструкций

самого

различного

назначения

и

формата

. 

Так

как

формат

команды

переменный

, 

то

она

может

быть

корректно

выбрана

из

памяти

толь

-

ко

после

расшифровки

кода

операции

, 

в

результате

каждая

инст

-

рукция

требует

для

своего

выполнения

несколько

тактов

процессора

.

Программа

, 

реализующая

некоторый

алгоритм

, 

может

быть

относи

-

тельно

короткой

, 

однако

время

выполнения

этой

программы

в

ком

-

пьютере

оказывается

значительным

.

Процессоры

с

 RISC-

архитектурой

работают

по

-

другому

. 

В

этих

процессорах

набор

команд

сильно

ограничен

, 

все

инструкции

мак

-

симально

упрощены

, 

они

имеют

одинаковый

формат

и

, 

в

идеале

,

могут

выполняться

за

один

машинный

такт

. 

Программа

, 

выполняю

-

щая

тот

же

алгоритм

примитивными

командами

, 

получается

длин

-

нее

, 

однако

за

счет

высокого

быстродействия

процессора

наблюдается

значительнй

выигрыш

в

производительности

. 

Разуме

-

ется

, 

программировать

вручную

для

такой

машины

было

бы

неудоб

-

но

, 

однако

этого

никто

и

не

делает

, 

так

как

техника

компиляции

достигла

больших

высот

. 

Быстродействующие

оптимизирующие

компиляторы

позволяют

создать

такой

код

, 

который

использует

все

особенности

набора

команд

и

позволяет

добиться

наивысшей

вы

-

числительной

мощности

.

Сторонники

 RISC-

архитектуры

на

деле

доказали

силу

своих

аргументов

 — 

наиболее

производительные

серверы

и

рабочие

стан

-

ции

сегодня

используют

 RISC-

процессоры

, 

однако

и

поклонники

CISC-

технологии

не

сдаются

, 

на

их

стороне

гигантский

объем

на

-

копленного

программного

обеспечения

в

кодах

 ix86. 

В

последних

моделях

микропроцессоров

 Intel  

специально

для

мультимедийных

132

приложений

введены

еще

более

сложные

  «

векторные

» 

команды

дополнительного

набора

 MMX (MultiMedia eXtention — 

мультиме

-

дийное

расширение

), 

выполняющие

в

сверхдлинных

 — 

до

 128 

раз

-

рядов

 — 

регистрах

параллельно

несколько

операций

сложения

или

умножения

.

Для

того

, 

чтобы

объединить

преимущества

обоих

подходов

, 

раз

-

работчики

  

пошли

на

компромисс

: 

на

внешнем

уровне

микропро

-

цессор

исполняет

стандартный

 CISC-

набор

команд

, 

а

на

внутреннем

— 

некоторый

упрощенный

 RISC. 

Встроенный

микропрограммный

эмулятор

преобразует

каждую

внешнюю

команду

в

цепочку

внут

-

ренних

и

исполняет

ее

со

всей

возможной

производительностью

RISC-

вычислителя

.

3. 

Усложнение

архитектуры

процессора

. 

Еще

один

резерв

повышения

производительности

кроется

в

распараллеливании

вы

-

числений

внутри

одного

кристалла

, 

при

этом

разработчики

микро

-

схем

пытаются

реализовать

в

конструкции

принципы

, 

типичные

для

организации

промышленного

производства

.

Как

известно

, 

каждая

машинная

операция

состоит

из

несколь

-

ких

фаз

: 

выборка

команды

, 

расшифровка

ее

, 

чтение

операндов

, 

не

-

посредственное

исполнение

операции

, 

запись

результата

. 

В

старых

моделях

процессора

эти

фазы

выполнялись

для

каждой

операции

строго

последовательно

подобно

тому

, 

как

в

кустарных

мастерских

шла

когда

-

то

сборка

автомобилей

 — 

сначала

собирали

одну

маши

-

ну

, 

потом

вторую

, 

при

этом

часть

рабочих

постоянно

простаивала

.

Современный

микропроцессор

устроен

значительно

сложнее

, 

он

по

-

хож

на

предприятие

, 

в

котором

множество

рабочих

собирают

на

конвейере

поток

автомобилей

. 

Конвейерный

процессор

совмещает

по

времени

выполнение

нескольких

команд

: 

для

одной

происходит

-

чтение

операции

, 

для

второй

 — 

декодирование

и

выборка

регист

-

ров

, 

для

третьей

 — 

исполнение

команды

вычислительным

блоком

и

т

. 

д

., 

в

результате

при

той

же

тактовой

частоте

существенно

по

-

вышается

общая

производительность

. 

Более

того

, 

в

самых

совер

-

шенных

конструкциях

в

чип

микропроцессора

встраивается

несколько

самостоятельных

 (

до

 6-8) 

вычислительных

блоков

с

фик

-

сированной

и

плавающей

арифметикой

, 

сверхбыстрая

внутренняя

133

память

 (

кэш

) 

и

удивительное

по

совершенству

логики

управляю

-

щее

устройство

, 

предсказывающее

возможное

развитие

вычисли

-

тельного

процесса

на

несколько

шагов

вперед

и

с

учетом

этого

организующее

параллельную

работу

нескольких

конвейеров

. 

Неиз

-

бехная

плата

за

такую

организацию

 — 

значительное

повышение

сложности

и

стоимости

схемы

, 

однако

прогресс

микроэлектрони

-

ки

, 

о

котором

мы

говорили

выше

, 

позволил

реализовать

такую

ар

-

хитектуру

во

всех

современных

моделях

микропроцессоров

.

Возвращаясь

к

таблице

производительности

процессоров

 Intel, 

не

-

трудно

заметить

, 

что

новые

модели

имеют

существенно

большую

производительность

при

той

же

тактовой

частоте

, 

чем

старые

. 

Это

— 

чистый

выигрыш

за

счет

архитектуры

кристалла

.

4. 

Многопроцессорные

конфигурации

.

Когда

возможности

одного

кристалла

исчерпаны

, 

производительность

компьютера

в

целом

может

быть

увеличена

за

счет

многопроцессорной

организа

-

ции

. 

Анализ

реальных

приложений

показывает

, 

что

длинные

це

-

почки

машинных

команд

, 

которые

должны

выполняться

строго

последовательно

, 

встречаются

относительно

редко

, 

в

основном

в

научных

расчетах

. 

Как

правило

вычислительный

процесс

можно

раз

-

бить

на

несколько

параллельных

ветвей

, 

каждую

из

которых

целе

-

сообразно

поручить

самостоятельному

микропроцессору

. 

В

принципе

число

процессоров

в

компьютере

ничем

не

ограничено

,

известны

конструкции

с

сотнями

и

даже

тысячами

процессоров

,

однако

суммарная

производительность

многопроцессорной

систе

-

мы

растет

далеко

не

линейно

с

числом

процессоров

, 

так

как

в

каж

-

дой

программе

есть

некоторый

предел

распараллеливания

, 

к

тому

же

в

многопроцессорных

системах

резко

возрастают

накладные

рас

-

ходы

на

диспетчеризацию

вычислительного

процесса

. 

Практика

по

-

казала

, 

что

на

стандартных

коммерческих

задачах

производительность

системы

растет

как

 $\sqrt{n}$, 

то

есть

четы

-

рехпроцессорная

конфигурация

всего

в

два

раза

производительнее

однопроцессорной

, 

однако

на

специальных

задачах

, 

допускающих

многократное

распараллеливание

 (

например

, 

анализ

вариантов

хода

в

щахматной

партии

), 

многопроцессорные

компьютеры

могут

по

-

казывать

рекорды

производительности

.

134

2.11. 

Современный

рынок

ЭВМ

и

его

секторы

Бурное

развитие

персональных

микрокомпьютеров

в

последние

два

десятилетия

не

означает

, 

что

производимые

  

и

применяемые

в

настоящее

время

ЭВМ

относятся

только

к

этому

классу

. 

Наоборот

,

современный

рынок

компьютеров

чрезвычайно

велик

и

разнообра

-

зен

. 

Как

и

в

далекие

 60-

е

годы

, 

в

нем

можно

выделитьтри

сектора

верхнего

уровня

: 

суперкомпьютеры

; 

компьютеры

общего

назначе

-

ния

и

специальные

компьютеры

. 

Так

как

эксплуатационные

харак

-

теристики

ЭВМ

 (

быстродействие

процессоров

, 

объем

внутренней

и

внешней

памяти

) 

постоянно

и

очень

быстро

растут

, 

предлагать

абсолютные

технические

критерии

для

отнесения

некоторого

ком

-

пьютера

к

тому

или

иному

классу

бессмысленно

. 

То

, 

что

вчера

счи

-

талось

суперкомпьютером

, 

сегодня

располагается

на

столе

рядового

инженера

, 

поэтому

ориентироваться

следует

не

на

абсолютные

по

-

казатели

, 

а

на

относительное

место

данной

модели

на

современном

Персональные

компьютеры

Рабочие

станции

С

е

р

в

е

р

ы

Компьютеры

общего

назначения

Карманные

 (palmtop) 

компьютеры

500

1

тыс

2

тыс

5

тыс

10

тыс

20

тыс

50

тыс

100

тыс

200

тыс

500

тыс

200

1 

млн

Начального

уровня

Среднего

класса

Высокого

класса

Суперсерверы

Сетевые

терминалы

Цена

, $

Суперкомпьютеры

Специальные

компьютеры

Секторы

рынка

компьютеров