Architektúra fogalomtár

Írta: Papdi Attila

Processzor architektúrák:

CISC (Complex Instruction Set Computer): Összetett utasításkészletű számítógép. Ezen processzorok utasításkészlete rendkívül sok (akár több száz) utasítást tartalmaz, köztük sok speciális, összetettebb instrukciót is. Több bonyolult címzési mód lehetséges, ami változó hosszúságú utasítás szavakat eredményez, továbbá a gyakori, memóriát használó utasítások (load, store) végrehajtása is lassú. Viszonylag kevés általános célú regisztert tartalmaz. Látható, hogy a rendszer rendkívül erőforrás-pazarló, illetve nagy probléma még, hogy az összetett utasításokat is ritkán használják. Mindenképp pozitívum azonban, hogy egyszerű gépi szinten programozni.

RISC (Reduced Instruction Set Computer): Csökkentett utasításkészletű számítógép. Egyszerűbb utasításkészlet a CISC-hez képpest, ezzel mellőzve az összetett instrukciókat. Az erőforrás ésszerű kihasználása végett, fix hosszúságú utasításszavak, és korlátozott számú címzési mód jellemzi. Az egyszerűbb kialakítás következtében több általános célú regiszter, vagy nagyobb méretű gyorstár elhelyezésére van lehetőség.

Megjegyzés: A mai CISC elvű processzorok, többnyire RISC magot használnak a feldolgozásnál. Az is lehetséges, hogy egy RISC processzor pár CISC-re jellemző tulajdonsággal rendelkezik.
A magyarázatok nem kőbe vésett szabályok, inkább amolyan tervezési filozófiák, ennek köszönhetően bármelyik rendszer eltérhet a leírt elvektől.

Utasítás szinten párhuzamos architektúra elvek: A teljesítmény drasztikus növelését az utasítások végrehajtásának a gyorsításával lehet elérni. Ennek az egyik legkézenfekvőbb módja, hogy egyszerre több utasítást hajtunk végre. Az efféle párhuzamosítást a végrehajtó egységek többszörözésével oldják meg, legnagyobb problémája a függőség-kezelés és az ütemezés. Függőség esetén a párhuzamosan végrehajtott utasítások keresztezik egymás útját, például előfordulhat, hogy ugyanazt az erőforrást szeretnék használni. Ezeket a problémákat még a kialakulásuk előtt meg kell előzni.

Szuperskaláris: Elég bonyolult hardver gondoskodik az utasítások párhuzamos végrehajtásáról. A függőségek kezelését is maga a hardver végzi. Modern processzor esetén komoly probléma lehet, hogy a tranzisztorok nagy részét nem a végrehajtó egységekre, hanem a párhuzamosítást felismerő hardverre használják fel.

VLIW (Very Long Intruction Word): Nagyon hosszú utasítás szó. A párhuzamosítás ütemezését és a függőség-kezelését áthelyezi a fordítóprogramra (rendszerprogramozókra), ezzel jelentősen egyszerűsítve a hardver felépítését. Megfelelően megírt fordító esetén a hardver már teljesen párhuzamosított kódot dolgozhat fel. A furcsa elnevezés onnan ered, hogy a hardver egy nagyon hosszú utasítás szót kap, amiben a kötegjelzők segítségével állapítja meg, hogy mely utasítások hajthatók végre párhuzamosan.

EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computer): Nagymértékben párhuzamos utasítású számítógép. Nagyon hasonló a VLIW elvhez. A különbség elsősorban abban rejlik, hogy azt az utasítást is végrehajtja, amire feltételezhetően nincs szükség. Ez akkor jön jól amikor a program elágazáshoz ér, a legtöbb processzor ilyenkor valamilyen elv alapján megpróbálja megbecsülni, hogy mi lesz a "helyes irány". Az EPIC elvű processzor utólag deríti ki melyik ág volt a jó, és a feleslegesen végrehajtott utasítások ezután törlésre kerülnek. A rendszer az optimalizálást a programozóra hárítja, illetve csak optimalizált utasítás sorozatot hajt végre.

Megjegyzés: A magyarázatok nem kőbe vésett szabályok, inkább amolyan tervezési filozófiák, ennek köszönhetően bármelyik rendszer eltérhet a leírt elvektől.

Utasításvégrehajtás ütemezése:

In order: Az utasítások végrehajtása szigorúan a beérkezett sorrendben történik.

Out of order: Az ütemezésben lehetőség van az utasítások sorrendtől eltérő végrehajtására is, ha a hardver számára így kedvezőbb lesz.

Adatút: A processzor azon része ami tartalmazza az ALU-t a bemeneteivel és kimenetivel együtt.

Számábrázolás:

Fixpontos: Fixpontos számábrázolásnál az egészrészt a törtrésztől elválasztó tizedesvessző helye fix. A tizedespont rögzített helye viszonylag gyors műveletvégzést tesz lehetővé, viszont a pontossága és ábrázolási intervalluma erősen függ a tizedesvessző helyétől.

Lebegőpontos: Lebegőpontos számábrázolásnál két fixpontos számot kell kezelnünk, a törtrészt és a hatványkitevőt. Az ábrázolás előnye a fixpontossal szemben, hogy jelentősen nagyobb intervallum áll rendelkezésre, így a számítás eredménye is sokkal pontosabb.

Flynn-féle osztályzási modell:

SISD (Single Instruction Single Data): Az végrehajtó egység egy órajel ciklus alatt egy utasítást végez egy adaton. Klasszikus szekvenciális rendszer. Az ilyen elvű egységeket skalár feldolgozónak nevezzük. - Példa: Neumann-féle számítógép.
SIMD (Single Instruction Multiple Data): Az végrehajtó egység egy órajel ciklus alatt egy utasítást végez több adaton. Az ilyen elvű egységeket vektor feldolgozónak nevezzük. - Példa: Vektorprocesszor, Tömbprocesszor.
MISD (Multiple Instruction Single Data): Az végrehajtó egység egy órajel ciklus alatt több utasítást végez egy adaton. Létezése vitatható, hiszen eleve furcsa, hogy több utasítást adunk ki ugyanarra az adatra. Némi megkötéssel besorolhatók ide a csővezetékes gépek.
MIMD (Multiple Instruction Multiple Data): Az végrehajtó egység egy órajel ciklus alatt több utasítást végez több adaton. Az ilyen elvű egységeket szuperskalár feldolgozónak nevezzük. - Példa: Multiprocesszor, Multiszámítógép.