Архитектура вычислительной машины
Особенности построения конкретной модели компьютера определяются ее архитектурой. В описание архитектуры включают:
структуру памяти компьютера;
способы доступа к памяти и внешним устройствам;
возможность изменения конфигурации компьютера;
систему команд;
форматы данных;
организацию интерфейса.
CISC- и RISC-архитектура компьютеров
Разработка машинного языка требует предварительного принятия многих решений. Одно из них состоит в выборе между построением сложной машины, способной декодировать и выполнять широкий спектр разнообразных команд, и созданием более простой машины, которая будет иметь ограниченный набор команд. К первому варианту относятся компьютеры с CISC-архитектурой [Complex Instruction Set Computer - компьютер со сложным набором команд], а ко второму - компьютеры с RISC-архитектурой [Reduced Instruction Set Computer - компьютер с ограниченным набором команд]. CISC-компьютер проще программировать, поскольку единственная его команда позволяет решить задачу, выполнение которой в RISC-компьютере потребует длинной последовательности более простых команд. Однако CISC-компьютер сложнее сконструировать, и он обходится дороже как при создании, так и при эксплуатации. Более того, многие сложные команды найдут лишь ограниченное применение, вследствие чего могут оказаться просто балластом, создающим дополнительную бесполезную нагрузку.
Конвейерная обработка
Конвейерной обработкой называется подход, который позволяет повысить пропускную способность компьютера без увеличения скорости выполнения команд. Согласно данному подходу выполнение этапов машинного цикла может перекрываться во времени. Например, во время этапа выполнения одной из команд для следующей команды уже может выполняться этап выборки, а это означает, что выполнение более одной команды одновременно осуществляется по принципу "конвейера", т.е. каждая из них будет находиться на разной стадии выполнения. В результате общая пропускная способность компьютера увеличится, причем без повышения скорости выборки и выполнения каждой отдельной команды. Естественно, когда машина достигнет команды перехода, все преимущества от предварительной выборки и выполнения последующих команд будут утрачены, так как в действительности потребуется выполнение совершенно других команд, которых в данное время на "конвейере" нет.
Конструкции современных процессоров оставляют далеко позади рассмотренный выше простейший пример конвейерной обработки. Современные процессоры способны выбирать сразу несколько команд за одно и то же время, а также реально выполнять больше одной команды одновременно, если только их действия не являются взаимозависимыми.
Способы организации вычислительного процесса
Различают следующие способы организации вычислительного процесса:
Один поток команд - один поток данных [Single Instruction - Single Data, SISD]. Над одним набором данных выполняется одна последовательность операций.
Один поток команд - множественный поток данных [Single Instruction - Multiple Data, SIMD]. Этот способ организации вычислительного процесса больше всего подходит для выполнения таких приложений, в которых один и тот же алгоритм обработки одновременно применяется к отдельным наборам схожих элементов, составляющих один большой блок данных.
Множественный поток команд - один поток данных [Multiple Instruction - Single Data, MISD]. Различные последовательности операций одновременно применяются к одному набору данных.
Множественный поток команд - множественный поток данных [Multiple Instruction - Multiple Data, MIMD]. Различные последовательности операций одновременно применяются к различным наборам данных.
