Архитектура вычислительных систем

Параллелизм в архитектуре процессоров (10)

• Характерные особенности RISC-процессоров:
• Фиксированная длина машинных инструкций (напр., 32 бита), простой формат команды.
• Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. load-and-store архитектура).
• Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
• Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово.
• Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. Традиционными решениями в рамках концепции RISC являются суперскалярность и VLIW-архитектура.
• Практически все современные процессоры — это суперскалярные RISC-системы.
• Спекулятивное исполнение сокращает простой конвейера при условных переходах. При встрече с командой условного перехода процессор исполняет (или в кэш инструкций) сразу все ветви, пока не закончится вычисление условия перехода.
• Переименование регистров. Каждый регистр процессора на самом деле представляет собой несколько параллельных регистров, хранящих несколько версий значения. Используется для реализации спекулятивного исполнения.

Спецпроцессоры

• Спецпроцессоры разрабатываются для определенного круга задач.
• Идея состоит в эффективной программно-аппаратной реализации особенностей конкретных алгоритмов.
• Спецпроцессоры могут объединять множество (до сотен тысяч) параллельно работающих элементарных ФУ. Нет гибкости и универсальности, зато очень высокая производительность для конкретного, узкого круга задач.
• Примеры: обработка сигналов, распознавание речи, компьютерная графика, спецпроцессоры для задач молекулярной динамики, аппаратная поддержка быстрого преобразования Фурье, технология ПЛИС (программируемые под конкретную задачу интегральные схемы).
• Поддержка векторных (SIMD) вычислений – характерная особенность современных процессоров, включая центральные процессоры, спецпроцессоры и со-процессоры. Streaming SIMD Extensions (потоковое SIMD-расширение процессора) — набор инструкций, первоначально разработанный Intel (впервые представлен в процессорах серии Pentium 3).
• В архитектуру процессора включаются регистры длины 128 бит и более + набор инструкций для работы со скалярными и упакованными типами данных. Каждый регистр (128 бит) может содержать четыре 32-битных значения с плавающей точкой одинарной точности или два двойной точности. C помощью SSE-команд арифметические действия могут производится сразу над всеми упакованными числами.
• В итоге реализуется идея векторизации вычислений (см. Лекцию 3)