Организация микропроцессорных систем. Учебное пособие. Могнонов П.Б. - 94 стр.

                5.2.2. Последовательная организация и конвейеризация

      Успехи в развитии технологии СБИС создали предпосылки для появления в начале
70-х годов нового класса вычислительных систем – микропроцессоров. Проектирование
микропроцессоров первых и последующих поколений базировалось на традиционной
архитектуре фон-Неймана, которая по классификации Флинна относится к классу ОКОД
машин. В состав таких машин входят единственная память для хранения данных и программ,
одно арифметическое устройство, исполняющее текущую команду, одно устройство
управления, осуществляющее контроль над исполнением команд, счетчик команд, хранящий
адрес текущей команды, и простой механизм модификации счетчика команд. Взаимные
связи между перечисленными компонентами системы довольно просты. Так как
алгоритмическая структура для этих машин имеет последовательный характер (рис.5.2.), то
быстродействие такой машины ограничено ее последовательной сущностью и определяется
временем исполнения каждой команды.
      Важное достоинство такой последовательной организации вычислительного процесса
состоит в том, что для машин данного класса разработано огромное количество алгоритмов и
программ, создана обширная база данных, используемая существующими программами,
накоплен богатый опыт программирования, разработаны фундаментальные языки и
технологии программирования. Поэтому дальнейшее совершенствование организации шло
по пути сохранения последовательной структуры, но с добавлением механизмов
параллельной обработки.
      Методы параллельной обработки, примененные в 70-х годах в суперкомпьютерах, в
настоящее время проникли в архитектуру перспективных микропроцессоров нового
поколения. Начиная с универсальных 16-разрядных микропроцессоров, низкоуровневый
параллелизм имеет место в конвейерной форме, а в матричных системах, содержащих
множество МП, могут одновременно выполняться несколько вычислительных процессов.
      Фон-неймановская архитектура имеет четыре основные характеристики:
      - наличие единого вычислительного устройства, включающего процессор, средства
передачи информации и память;
      - линейная структура адресации памяти, состоящей из слов фиксированной длины;
      - низкий уровень машинного языка, команды которого осуществляют простые
операции над элементарными операндами;
      - централизованное последовательное управление.
      Повышение производительности таких систем шло по пути увеличения скорости
выполнения простых команд и повышения быстродействия полупроводниковой памяти. По
мере развития полупроводниковой технологии, с одной стороны, росло быстродействие
микропроцессоров за счет совершенствования методов проектирования, охватывающих
первые три уровня создания ЭВМ. С другой стороны, по мере увеличения емкости памяти,
которые размещались на кристаллах, внешних по отношению к МП, значимыми становились
задержки, вносимыми паразитными емкостями, протяженными линиями связи, буферными
декодирующими схемами, что ограничивало быстродействие системной памяти. Передача
команд и данных между МП и памятью осуществляется по единственному
коммуникационному тракту, при этом темп пересылки данных по интерфейсу памяти
накладывает жесткие ограничения на скорость обработки данных.
      Эта проблема обостряется в мультипроцессорных системах. Работа системной
магистрали сопряжена с необходимостью разрешения конфликтов между различными
процессорами, запрашивающими разрешения на управление шиной. Общая шина и общая
память в любой момент времени могут обслуживать только один процессор, и по мере
добавления новых процессоров с целью повышения скорости обработки общая шина все в
большей степени становится узким местом систем.