Узкое место архитектуры фон Неймана

АРХИТЕКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

Вариант № 35

Выполнил:

студент гр. ИУ-11

Соколов А.Е

Проверил:

Ефимов А.В.

Новосибирск, 2012

Задание 35

1. Оценить возможности ЭВМ с SISD-архитектурой. Привести пример использования SISD-архитектуры в суперВС.
2. Построить блок-схему -алгоритма умножения матриц:

обеспечивающего распределение элементов результирующей матрицы по горизонтальным полосам в элементарных машинах ВС.

Отыскать максимум коэффициента накладных расходов при реализации -алгоритма на вычислительной системе, имеющей следующие параметры:

– разрядность

– полосу пропускания канала между машинами Мегабод;

– время выполнения операции сложения нс;

– время выполнения операции умножения нс.

1.

Система с SISD (single instruction, single data) / ОКОД (Одиночный поток Команд, Одиночный поток Данных) архитектурой предполагает поток управляющих инструкций и поток данных в единственном числе каждый; (Рис.1 P означает процессор, I– поток управляющих инструкций, – входной поток данных, – выходной поток данных). В компьютерах данного класса имеется только один поток команд, все команды обрабатываются последовательно друг за другом, и каждая команда инициирует одну операцию с одним потоком данных. К классу SISD относят прежде всего классические однопроцессорные машины фон-неймановского типа, например, PDP-11 или VAX 11/780. К.Ванг и Ф.Бриггс дали некоторые дополнения к этой классификации, разбив класс SISD на:

• архитектуры с единственным функциональным устройством, например, PDP-11;

• архитектуры, имеющие в своем составе несколько функциональных устройств - CDC 6600, CRAY-1, FPS AP-120B, CDC Cyber 205, FACOM VP-200.

Рис. 1 Архитектура ОКОД (SISD)

Архитектура фон Неймана — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

Основные возможности:

Использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде)

· Принцип однородности памяти:

Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

· Принцип адресуемости памяти

Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к хранящимся в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

· Принцип последовательного программного управления:

Предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

· Принцип жесткости архитектуры:

Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

Так же в некоторых источниках указывается принцип двоичного кодирования, но существовали машины работающие с троичным и с десятичным кодом.

Узкое место архитектуры фон Неймана

Совместное использование шины для памяти программ и памяти данных приводит к узкому месту архитектуры фон Неймана, а именно ограничению пропускной способности между процессором и памятью по сравнению с объёмом памяти.

Из-за того, что память программ и память данных не могут быть доступны в одно и то же время, пропускная способность является значительно меньшей, чем скорость, с которой процессор может работать. Это серьезно ограничивает эффективное быстродействие при использовании процессоров, необходимых для выполнения минимальной обработки на больших объёмах данных. Процессор постоянно вынужден ждать необходимых данных, которые будут переданы в память или из памяти.

Так как скорость процессора и объём памяти увеличивались гораздо быстрее, чем пропускная способность между ними, узкое место стало большой проблемой, серьезность которой возрастает с каждым новым поколением процессоров.