Wprowadzenie do architektury komputerów. Taksonomie architektur Podstawowe typy architektur komputerowych

Transkrypt

1 Wprowadzenie do architektury komputerów Taksonomie architektur Podstawowe typy architektur komputerowych

2 Taksonomie Służą do klasyfikacji architektur komputerowych podział na kategorie określenie własności Taksonomia Flynna prosta należy ją znać ma znaczenie historyczne

3 Taksonomia Flynna Zaproponowana przez Michaela J. Flynna około 1968 roku Zakłada, że komputer jest urządzeniem przetwarzającym strumienie danych na podstawie strumieni instrukcji Klasyfikuje komputery według liczby strumieni instrukcji i danych Liczba strumieni może wynosić 1 lub więcej

4 Taksonomia Flynna 4 klasy architektur komputerowych

5 Typy architektur Flynna SISD (Single Instruction Stream, Single Data stream) pojedynczy strumień instrukcji i danych Przykład uniprocesor von Neumanna najbardziej rozpowszechniony typ architektury SIMD (Single Instruction Stream, Multiple Data stream) jeden strumień instrukcji, wiele strumieni danych jedna instrukcja powoduje wykonanie tej samej operacji na wielu kompletach danych przykład: procesor wektorowy lub macierzowy MISD (Multiple Instruction Stream, Single Data stream) nie bardzo wiadomo co to jest, trudno wskazać wzorcowego reprezentanta (może proc. potokowy procesory graficzne) MIMD (Multiple Instruction Stream, Multiple Data stream) przykład: wieloprocesor, wielokomputer, czyli maszyny złożone z wielu połączonych uniprocesorów von Neumanna

6 Rozszerzenie taksonomii Flynna Urządzenie bez strumieni danych nie jest komputerem w tej części tabeli można by umieścić niektóre automaty. Architektury bez strumieni instrukcji - tzw. komputery sterowane przepływem danych

7 Rozszerzenie taksonomii Flynna Urządzenia bez strumieni danych nie są komputerami komputer musi przetwarzać dane Urządzenia bez strumieni instrukcji mogą przetwarzać dane same dane mogą nieść informację o potrzebnym przetwarzaniu Są to tzw. maszyny sterowane przepływem danych (Dataflow) Możemy wyróżnić uniprocesory i wieloprocesory Dataflow

8 Komputery sterowane przepływem danych Jednostka przetwarzana token zawiera dane oraz metkę (tag) opisująca zawartość metka składa jest odpowiednikiem instrukcji, opisującej co należy zrobić z danymi W wyniku przetworzenia uzyskuje się nowy token, zawierający zmodyfikowane dane i zmodyfikowany token Przetworzony token może podlegać dalszemu przetwarzaniu Maszyny Dataflow nie są obecnie konstruowane około 1995 NEC produkowała mikroprocesor dataflow Paradygmat przetwarzania sterowanego przepływem danych jest używany do opisu procesów przetwarzania informacji nie ma nic wspólnego ze sprzętem komputerowym

9 Maszyna von Neumanna Architektura von Neumanna jest określona przez zestaw cech. Model maszyny von Neumanna wprowadza specyficzny mechanizm dostępu do pamięci poprzez adres. Z takiej organizacji pamięci i z faktu przechowywania w niej programu wynika z kolei obecność rejestru licznika instrukcji Instrukcje tworzące program są przechowywane w pamięci w taki sam sposób jak dane Pamięć składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numeru komórki numer komórki jest nazywany adresem Z powyższych postulatów wynika w praktyce, że: zazwyczaj komputer będzie pobierał kolejne instrukcje programu z kolejnych komórek pamięci komórki te będą wybierane przez zwiększający się adres, który powinien być przechowywany i inkrementowany w procesorze adres jest przechowywany w specjalnym rejestrze PC (ang. Program Counter)

10 Warianty organizacji hierarchii pamięci w realizacji maszyny von Neumanna Dwa warianty architektury von Neumanna różnią się sposobem przechowywania instrukcji i danych. Harvard oddzielne hierarchie pamięci programu i danych Princeton wspólna hierarchia pamięci programu i danych Architektura Harvard jest niekiedy uważana za architekturę nie spełniającą postulatów von Neumanna wobec faktu oddzielnego przechowywania instrukcji i danych.

11 Architektura Harwardzka

12 Architektura harwardzka - cechy Realizacja maszyny von Neumanna z oddzielnymi hierarchiami pamięci programu i danych często uznawana za architekturę nie vonneumannowską ze względu na dyskusyjność postulatu o jednakowym składowaniu instrukcji i danych Wysoka wydajność dzięki możliwości równoczesnego pobierania instrukcji i operacji na hierarchii pamięci danych Brak możliwości zapisu instrukcji do hierarchii pamięci instrukcji brak możliwości programowania dopuszczalne tylko w zastosowaniach wbudowanych

13 Architektura Princeton

14 Architektura Princeton - cechy Wzorcowa realizacja maszyny von Neumanna ze wspólna hierarchią pamięci instrukcji i danych Wspólna hierarchia wyklucza równoczesne pobieranie instrukcji i danych tzw. von Neumann bottleneck Nieograniczone możliwości modyfikacji programu obiekt zapisany przez procesor danych do hierarchii pamięci jako dane może być następnie pobrany przez procesor instrukcji jako instrukcja możliwość programowania potrzeba w komputerach uniwersalnych program może sam sobie modyfikować (automodyfikacja) cecha nie zawsze pożądana

15 Architektura Harvard-Princeton Hierarchia pamięci w architekturze Harvard-Princeton charakteryzuje się częściowym rozdzieleniem hierarchii pamięci. Co najmniej jeden poziom kieszeni jest oddzielny dla hierarchii pamięci instrukcji i danych. Architektura Harvard-Princeton łączy zalety architektury Harvard (wydajność) i Princeton (programowalność). Programowalność nie jest tu jednak dokładnie taka sama, jak w architekturze Princeton.

16 Architektura Harvard-Princeton - cechy Realizacja maszyny von Neumanna z oddzielnymi górnymi warstwami hierarchii pamięci i wspólnymi warstwami dolnymi. Przynajmniej jeden poziom kieszeni jest oddzielny dla procesorów instrukcji i danych Większość odwołań do hierarchii pamięci jest realizowanych w górnych warstwach szybkie działanie dzięki równoległości dostępów jak w architekturze Harvard Wspólne dolne warstwy hierarchii umożliwiają zapis programu programowalność niezbędna w komputerach uniwersalnych

17 Harvard-Princeton modyfikacja programu Program użytkowy nie ma pełnej kontroli nad położeniem obiektów w hierarchii pamięci brak możliwości automodyfikacji Kontrolę taka może mieć system operacyjny jeden proces może modyfikować drugi możliwość ładowania programu np. z pliku Architektura Harvard-Princeton zaspokaja potrzeby programowalności bez narażania bezpieczeństwa automodyfikacja jest niebezpieczna Większość współczesnych komputerów ma architekturę Harvard-Princeton w tym wszystkie współczesne komputery PC

18 Organizacja architektury komputera Sposób organizacji architektury komputera PC przeszedł długą ewolucję, wraz ze wzrostem wymagań (prędkość przesyłu danych) stawianych komputerom PC szukano nowych rozwiązań umożliwiających jak najwydajniejszą pracę. Koncepcje: Architektura pamięciowo-centryczna Architektura szynowa Architektura dwuszynowa Architektura trójszynowa Architektury z połączeniami punkt-punkt

19 Architektura pamięciowo-centryczna Architektura charakterystyczna dla dużych komputerów budowanych w latach 60- tych XX wieku. Zgodnie z nazwą, centralnym elementem struktury jest pamięć, wyposażona w kilka portów, umożliwiających połączenie jej z kilkoma urządzeniami. Urządzeniami tymi są procesor (lub procesory) i tzw. kanały wejścia-wyjścia, czyli specjalizowane procesory transmitujące dane pomiędzy urządzeniami zewnętrznymi i pamięcią komputera.

20 Architektura szynowa

21 Architektura szynowa - problemy Długość i struktura połączeń ogranicza szybkość transmisji (MHz)» zjawiska falowe» rozproszone indukcyjności i pojemności Dysproporcja wydajności procesora i pamięci jest dodatkowo powiększana przez wolną transmisję danych na szynie Krytyczna jest szybkość dostępu procesora do pamięci (inne transmisje, np. do i z urządzeń wejścia-wyjścia, zachodzą stosunkowo rzadko i mogą być realizowane wolniej). Długość szyny wynika z konieczności dołączenia wielu urządzeń - sterowników wejścia - wyjścia

22 Architektura dwuszynowa Architektura dwuszynowa zawiera dwie szyny: szybką, łączącą procesor lub procesory z pamięcią oraz wolną, do której podłączone są sterowniki urządzeń zewnętrznych. Obie szyny łączy układ mostu. Problemy: Niektóre urządzenia zewnętrzne wymagają bardzo szybkiej transmisji

23 Architektura trójszynowa W architekturze trójszynowej, stosowanej w komputerach PC w drugiej połowie lat 90-tych XX wieku, istnieją dwie szyny urządzeń zewnętrznych szybka i wolna. W strukturze tej występują dwa mosty, zwane od swego położenia na schemacie blokowym odpowiednio północnym i południowym. Problemy: szybka szyna zbyt wolna dla podsystemu graficznego wobec rosnącej integracji wolna szyna stała się zbędna

24 Architektura trójszynowa - cechy Cechy: Trzy szyny (magistrale):» procesora i pamięci (FSB ang. front side bus)» szybkich urządzeń zewnętrznych (PCI)(ang. Peripheral Component Interconnect)» wolnych urządzeń zewnętrznych (ISA) (ang. Industry Standard Architecture) Typy mostków:» mostek północny (ang. northbridge) - łączy szynę procesora z szyną szybkich urządzeń» mostek południowy (ang. southbridge) - łączy szynę szybkich urządzeń z szyną wolnych urządzeń Używana w komputerach PC » w praktyce most południowy zawierał sterowniki niektórych urządzeń» sterownik pamięci umieszczony w moście północnym Problemy: szybka szyna zbyt wolna dla podsystemu graficznego wobec rosnącej integracji wolna szyna stała się zbędna

25 Architektura z połączeniami punkt-punkt (2004)

26 Architektura z połączeniami punkt-punkt (2004) - cechy Nie ma szyny wolnych urządzeń wejścia-wyjścia. Część połączeń szynowych została zastąpiona połączeniami typu punktpunkt, o dużo większej przepustowości. Mostek północny zawiera sterownik pamięci. Mostek południowy nie pełni roli mostu pomiędzy szynami, lecz zawiera sterowniki większości niezbędnych w komputerze PC urządzeń zewnętrznych.

27 Architektura z połączeniami punkt-punkt (2006)

28 Architektura z połączeniami punkt-punkt (2006) - cechy Sterownik pamięci umieszczony jest w procesorze. Mostek północny wyposażony w indywidualne łącza dla sterowników urządzeń zewnętrznych, zrealizowane w standardzie PCI express. Mostek południowy jest zintegrowanym sterownikiem urządzeń zewnętrznych. Szyna PCI została zachowana w celu umożliwienia podłączenia starszych sterowników urządzeń (skazana na usunięcie podobnie jak kiedyś EISA).