ЭВМ с нетрадиционной архитектурой. Общие принципы построения. Сравнительные характеристики

Под архитектурой ЭВМ понимается ее организация, характеристики, ресурсы, которые доступны программисту на языке низкого уровня. Т.е. под архитектурой понимается структура ЭВМ, набор команд и типы данных, структура памяти и способы адресации.

MISC (англ. minimal instruction set computer) — процессорная архитектура, подразумевающая работу с минимальным количеством длинных команд. Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово (связку, bound). Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных.

Кроме этого MISC использует стековую модель вычислительного устройства и основные команды работы со стеком языка Forth. MISC-принцип может лежать в основе микропрограммы выполнения Java- и.Net- программ, хотя по количеству используемых команд они нарушают принцип MISC.

Процессоры, образующие «компьютеры с минимальным набором команд» (MISC), как и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим, принцип «очень длинных командных слов» (VLIW) обеспечивает выполнение группы непротиворечивых команд за один цикл работы процессора. Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом архитектура MISC объединила вместе суперскалярную и VLIW-концепции. Компоненты процессора просты и работают на высоких частотах.

VLIW (англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свернутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения между ними работы решается аппаратно. Это сильно усложняет дизайн процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство должно выполнять какую команду.

VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

Подход VLIW сильно упрощает архитектуру процессора, перекладывая задачу распределения вычислительных устройств на компилятор. Поскольку отсутствуют большие и сложные узлы, сильно снижается энергопотребление.

В то же время, код для VLIW обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества пустых инструкций для простаивающих устройств программы для VLIW-процессоров могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

Архитектура VLIW выглядит довольно экзотической и непривычной для программиста. Из-за сложных внутренних зависимостей кода, программирование на уровне машинных кодов для VLIW-архитектур человеком вручную является достаточно сложным. Приходится полагаться на оптимизацию компилятора.

Согласно Флину существует 4 разновидности ВС:

1. ОКОД (SISD, одиночный поток команд одиночный поток данных). Такое структурное построение характерно для классических машин фон Неймана.

2. ОКМД (SIMD, одиночный поток команд множественный поток данных). Для данной ВС обычный поток команд воздействует на несколько процессорных блоков одновременно, которые обрабатывают различные данные по одной команде. Память в такой ВС является разделенной.

Первоначально типовыми представителями таких ВС были супер-ЭВМ (ILLIAC IV, STARAN, PEPE, ПС-300). ВС с такой структурной организацией направлены на решение задач с естественным параллелизмом. В современных ЭВМ это реализовано в Pentium MMX.

3. МКОД (MISD, множественный поток команд одиночный поток данных). Эту ВС обычно рассматривают как результат идей локального параллелизма. Иначе их называют конвейерные ВС. Операционная часть ВС является регулярной и представляет собой цепочку последовательно (линейно) соединенных процессорных блоков, которые образуют конвейер процессора.

4. МКМД (MIMD, множественный поток команд множественный поток данных) - общий случай мультипроцессорной системы. В общем случае связи между элементарными процессорами являются перестраевыми.