Вычислительная математика и программирование - Боглаев Ю.П.
ISBN 5-06-00623-9
Скачать (прямая ссылка):
20 \
применяется ЭВМ, центральный процессор должен активно работать.
Последнее очень важно для оценки производительности процессора и ЭВМ в целом, поскольку в задачах различно сочетание операций, необходимых для их решения. Например, в ЭВМ, применяемой для научно-технических расчетов, желательно иметь более быстродействующие арифметические блоки, нежели в ЭВМ для экономических расчетов. Иллюстрацией может служить типичный набор команд (подробно представленные команды изложены в гл. 3) для двух классов задач:
Научно-техническая задача
15 умножений 12 делений 25 сложений 22 вычитания 12 записей в память 2 ввода
2 команды печати 8 условных переходов 2 безусловного перехода 100 команд
Экономическая задача
5 умножений 2 деления
25 сложений 18 вычитаний 14 записей в память 8 вводов 8 команд печати 14 условных переходов
6 безусловных переходов 100 команд
Несмотря на большое число команд ЭВМ, их можно разделить на четыре основных типа: арифметические и логические; команды управления; команды внутренней пересылки; команды ввода — вывода.
Команды, поступающие в центральный процессор, содержат следующую информацию:
1. Код операции.
2. Адреса операндов и результата.
3. Адрес следующей команды.
1.2.7. Архитектура адресации. В этом пункте рассматриваются различные архитектуры ЭВМ, связанные с формой адресации. Поставленной задаче (иметь в команде информацию о коде операции и адресах) удовлетворяет ЭВМ с четырехадрееным форматом команды (рис. 1.5). Пусть код операции (символический):
сложения ADD вычитания SUB умножения MUL
X, Y, Z, W—символические имена ячеек памяти. Тогда команда
MUL X,Y,Z,W
КОД АДРЕС 1-ГО АДРЕС 2-ГО АДРЕС АДРЕС СЛЕД.
ОПЕРАЦИИ ОПЕРАНДА ОПЕРАНДА РЕЗУЛЬТАТА КОМАНДЫ
Рис. 1.5
21
означает: умножить содержимое ячейки X на содержимое ячейки Y, результат поместить в ячейку Z.
В большинстве машин адрес W не указывается, в них имеется указатель—счетчик команд (PC)—это регистр, хранящий адрес текущей команды. В нем во время выполнения текущей команды формируется адрес следующей команды.
Трехадресный формат команды
ADD А,В,С
означает: сложить содержимое ячеек А и В, результат поместить в С, а следующую команду взять по адресу, который содержится в регистре PC.
Ради экойомии размера ячейки памяти можно пожертвовать одним адресом в формате команды, адрес результата совместить с адресом второго операнда и получить двухадресную машину. Однако, чтобьь выполнить сложение С = А + В, теперь потребуется лишняя команда MOV — перемещение содержимого первой ячейки во вторую, а именно:
MOV А,С ; (А)->(С)
ADD В,С ; (В) + (С)-»(С)
Двухадресные машины широко распространены, такой архитектурой адресации обладают и малые, и большие ЭВМ.
Чтобы получить одноадресную машину, необходимо предусмотреть в ЭВМ еще один регистр—аккумулятор (АС), где будет содержаться второй операнд для арифметических операций и потребуются команды записи в аккумулятор LAC и чтения DAC. Сложение С = А-|-В в одноадресной машине имеет вид
LAC А ; (А)->(АС)
ADD В ; (АС) + (В)-+(АС)
DAC С ; (АС)-?С
Одноадресные машины также широко представлены, а идея иметь аккумуляторы на регистрах используется в двухадресных и трехадресных машинах. Такие регистры, применяемые не только в качестве аккумуляторов, но и для индексации элементов массивов, вычисления числа повторений циклов и т. д., называются регистрами общего назначения.
Использование регистров для хранения операндов и команд, выполняющих операции с их содержимым, значительно повышает быстродействие ч ЭВМ.
# 1.3. Классификация архитектурных решений ЭВМ
1.3.1. Идея параллельных вычислений. Со времени появления ЭВМ в 40-е годы быстродействие процессора увеличилось на выполнение одной операции примерно с 10"1 с до 10" 8—10-9 с. За время 10"9 с электрический сигцал (свет) распространяется на
22 ’
30 см. Поэтому дальнейшее повышение быстродействия ограничено физическими процессами передачи сигналов и технологией. Нельзя в настоящее время рассчитывать на уменьшение времени срабатывания электронной схемы как на главный резерв ускорения работы процессора. А увеличивать быстродействие ЭВМ постоянно требуют практические задачи. При этом проявляется закономерность, состоящая в том, что для решения необходимых в данное время задач следует иметь ЭВМ, быстродействие которых в 10—100 раз выше, чем у имеющихся машин.
Основной источник задач, требующих быстродействия 10“9 с и выше,— управление сложными объектами в реальном масштабе времени, прогноз погоды и др. В таких задачах требуется провести огромный объем вычислений за ограниченный, заданный интервал времени.
Одно из важных направлений увеличения быстродействия—проведение на ЭВМ параллельных вычислений для решения одной задачи. Эта идея высказывалась еще в XIX в., а в ЭВМ она имела некоторое начальное воплощение в рамках традиционной архитектуры фон Неймана. Так, в некоторые процессоры были введены блоки предварительной выборки команд, выполнение команд с перекрытием по времени и т. п. Но широкое развитие идеи параллельных вычислений потребовало разработки принципиально новых архитектурных решений, которые начали реализовываться в действующих ЭВМ в 70-е годы.
