Выполнение программы процессором

В основе архитектуры любого современного процессора имеется несколько обязательных конструктивных элементов:

Процесс выполнения одной команды программы состоит из нескольких этапов. Прежде всего, команда выбирается из кэш-памяти процессора. Этот этап называется выборкой. После этого выбранная команда декодируется в машинные команды процессора.

Данный этап называется декодированием. Далее машинные команды процессора поступают в исполнительный блок.

Под вычислительной системой (ВС) понимается совокупность взаимосвязанных и одновременно функционирующих аппаратно-программных вычислителей, которые реализуют параллельные процессы решения сложных задач, и обладают возможностями автоматической настройки своей структурно-функциональной организации на особенности решаемых задач. Такие ВС получили название высокопараллельных многопроцессорных вычислительных систем (МПВС).

Выделяют четыре класса архитектур вычислительных систем.

Первый класс ВС называют SISD (Single Instruction stream / Single Data stream) системой или ОКОД (одиночный поток команд и одиночный поток данных) системой. Данный класс представлен однопроцессорной ЭВМ. Под потоком команд понимается любая их последовательность, поступающая для исполнения вычислительным средством (ЭВМ или процессором). При выполнении команд потока требуются операнды (данные), следовательно, поток команд «порождает» поток данных. Таким образом, SISD-архитектура предопределяет такое функционирование ЭВМ, при котором один поток команд управляет обработкой одного потока данных (рис. 3.4а).

Второй класс ВС обозначается как MISD (Multiple Instruction Single Data) система или МКОД (многократный поток команд и однократный поток данных) система. Процессоры МПВС, одновременно выполняют разные операции над последовательным потоком обрабатываемых данных (рис. 3.5б). Такие МПВСполучили названиемагистральных или конвейерных ВС.

К третьему классу относят SIMD (Single Instruction Multiple Data) системы или ОКМД (одиночный поток команд и множественный поток данных) системы. Процессоры МПВС выполняют одну команду над различными данными (рис. 3.4в). МПВС данного типа относят к векторными ВС.

а - SISD (однопроцессорная), б - MISD (конвейерная); в - S1MD (векторная); г - MIMD (матричная)

Рис. 3.5 Структуры вычислительных систем.

Четвертый класс представляет MIMD (Multiple Instruction Multiple Data) системы или МКМД (множественный поток команд и множественный поток данных) системы (рис. 3.4г) В таких системах поток команд обрабатывает несколько потоков данных. МПВС данного типа называются матричными ВС.

В виде МПВС создаются и функционируют различные виды мэйнфреймов или суперкомпьютеров. Мэйнфреймы характеризуются наивысшим уровнем производительности и надежности, рассчитаны на практически любые уровни нагрузки, обладают высокой устойчивостью к сбоям и авариям. Они обеспечивают решение любых задач, требующих больших вычислительных ресурсов: от метеорологических прогнозов и изучения управляемого термоядерного синтеза до исследований генома человека и разведки нефти и газодобычи.

Быстродействие мэйнфреймов согласно рейтинга 500 самых высокопроизводительных суперкомпьютеров (http://WWW.top500.org) достигает величины 2,5 Pflops, (1 Pflops=10¹⁵flops) т.е. 2,5 квадриллиона операций с плавающей точкой в секунду.