Основные архитектуры набора команд - классические, современные и нестандартные.
Организация вычислительной системы - процессор, память, шина, функциональное описание.
Параллельные и распределенные архитектуры. В том числе сети ЭВМ, как частный случай распределенной архитектуры.

Одна из лекций посвящена обзору одной из самых элегантных архитектур - SPARC-архитектуры.

6.1. Основы архитектуры ЭВМ

6.1.1. Основные понятия и определения

Архитектура компьютера - совокупность архитектуры набора команд и организации вычислительной системы.

Архитектура набора команд - граница между аппаратурой и программным обеспечением, представляющая ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов.

Заметим, что архитектура компьютера определяет концептуальную структуру и функциональное поведение, но не отражает такие проблемы, как передача потоков данных внутри процессора, конструктивные особенности логических схем и специфику технологии производства.

Организация вычислительной системы - функциональные устройства и связь их некоторым образом в единую структуру. Простейшая вычислительная система может включать процессор, память, периферийные устройства и общую шину (рис. 6.1).

6.1.2. История и эволюция компьютерных архитектур

Вначале было слово, но это не было фиксированное число битов.
Р. С. Бартон

6.1.2.1. Поколения компьютерных архитектур

Рассматривать все множество архитектур можно с точки зрения истории по поколениям. Практически каждое поколение определяется новой элементной базой.

Нулевое поколение. Появление первых реальных компьютеров. Конец 30-х годов XX века.
Первое поколение. Компьютеры на вакуумных лампах. Появились в конце 40-х годов XX века.
Второе поколение. Компьютеры на транзисторах. Появились в конце 50-х годов XX века.
Третье поколение. Компьютеры на интегральных схемах. Появились в середине 60-х годов XX века.
Четвертое поколение. Компьютеры на микропроцессорах. Появились в 70-х годах XX века.

О соотношении стоимости аппаратуры и рабочей силы
Обратим внимание на то, что исторически можно проследить три периода в соотношении стоимости аппаратуры и стоимости рабочей силы. Первый (1945-1970 гг.) - аппаратура - дорогая, рабочая сила - дешевая. Второй (1970-1985 гг.) - аппаратура - дешевая, рабочая сила - дорогая. Третий (1981-...) - аппаратура - очень дешевая, рабочая сила - очень дорогая.

Любопытен тот факт, что в 1943 году Томас Уотсон (Thomas Watson), директор компании IBM, считал, что "на мировом рынке есть спрос только на пять штук компьютеров".

6.1.2.2. Некоторые важные даты

Приведем некоторые даты, связанные с появлением первых компьютеров.

1938 г. - Конрад Цузе (Conrad Zuse) завершил построение электромеханического двоичного компьютера Z1.
1939 г. - Джон Атанасофф (John Atanasoff) со своим студентом Клиффордом Берри (Clifford Berry) построил прототип электронного цифрового компьютера с использованием двоичной арифметики.
1943 г. - начал работать британский компьютер "Колосс". В его разработке принимал участие Алан Тьюринг (Alan Turing).
1944 г. - в Гарвардском университете 7 августа открыта построенная Говардом Айкеном (Howard Aiken) машина Howard Mark (она также известна как IBM ASCC - Automatic Sequence Controlled Calculator).
1945 г. - в школе электроинженерии при Пенсильванском университете Преспером Экертом (Presper Eckert) и Джоном Моучли (John Mauchly) построена машина ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Computer. Этот компьютер был самым большим компьютером в истории - он весил 30 тонн.

Начиная с конца 40-х годов XX века, стали появляться первые компьютеры на вакуумных лампах. 1948 год можно считать годом появления электронных средств вычислительной техники и в СССР, и в США. Вот еще несколько дат, связанных с начальными этапами компьютерной архитектуры.

В 1947-1948 годах инженер Сергей Алексеевич Лебедев в Феофан и и под Киевом создал первый ламповый вычислительный блок - прообраз компьютеров.
1949 г. - первый компьютер для решения задач реального времени Whirlwind разработан под руководством Джея Форрестера (Jay Forrester) в Массачусетском технологическом институте. Он содержал около 5000 вакуумных ламп.
1952 г. - первый компьютер Univac - Universal Automatic Computer - установлен в американском агентстве по переписи населения.
1957 г. - один из первых компьютеров на транзисторах Atlas Guidance Computer, выпущенный фирмой Burroughs, был применен при управлении запуском ракеты.
1959 г. - на выставке в Париже продемонстрирован первый японский коммерческий компьютер на транзисторах NEAC 2201 компании NEC.
1960 г. - компания DEC объявила о выпуске PDP-1, первого коммерческого компьютера с монитором и клавиатурным вводом.
1964 г. - компания IBM объявила о производстве серии компьютеров System/360 и заняла ведущую позицию в выпуске компьютеров общего назначения на многие годы. Кстати, долгое время велись многочисленные споры о том, как расшифровать число 360 в названии этой серии. Одни специалисты утверждали, что это "3-е поколение - 60-е годы (XX века)", а другие - "возможность использования в любом направлении - от 0 до 360 градусов".

6.1.2.3. История советской и российской вычислительной техники

В истории советской и российской вычислительной техники можно выделить четыре основных периода.

Первый период продолжался с 1948 года до начала 70-х годов XX века. Он связан с именами С. А. Лебедева, М. В. Келдыша, М. А. Лаврентьева, И. С. Брука, Б. И. Карцева, Ю. Я. Базилевского и многих других ученых и инженеров. Основные машинные разработки - М-1, М-2, Стрела, БЭСМ-1, БЭСМ-2, Раздан, Урал, Мир, Сетунь, Наири.
Второй период продолжался с начала 70-х до начала 90-х годов XX века. Он характеризуется двумя тенденциями.

Частичное прекращение отечественных разработок и принятие решения о копировании американской техники. Именно тогда началось отечественное серийное производство ЭВМ.
Продолжение оригинальных отечественных разработок в некоторых научных институтах. Одним из них был институт точной механики и вычислительной техники (ИТМ и ВТ), в котором было создано семейство отечественных суперкомпьютеров Эльбрус.

Третий период продолжался с начала 1990-го года по 2000 год и характеризовался существенным прекращением выпуска отечественной вычислительной техники. Заводы перестали выпускать "наши" ЭВМ, поскольку они не могли по причине низкого качества конкурировать с западными ЭВМ.
Четвертый период начался в 2000 году и характеризуется возрождением отечественных разработок в области архитектуры ЭВМ.

Приведем некоторые даты создания отечественных ЭВМ (линия Лебедева и его последователей).

МЭСМ - 1951-1952 гг. - создание прототипа.
БЭСМ-1 - 1953 г. - создание прототипа.
М-40 - 1957-1959 гг. - первый компьютер Эльбрус на вакуумных лампах.
БЭСМ-2 - 1958 г. - создание прототипа, 1959 г. - начало серийного выпуска.
М-20 - 1958 г. - создание прототипа, 1959 г. - начало серийного выпуска.
БЭСМ-ЗМ/БЭСМ-4 - 1962-1963 гг. - создание прототипа, 1964г.- начало серийного выпуска.
5Э926 - 1964-1969 гг. - компьютер на дискретных транзисторах, использовался в первой Российской противоракетной системе обороны Москвы.
БЭСМ-6 - 1964-1967 гг. - создание прототипа, 1967 г. - начало серийного выпуска.
Эльбрус-1 - 1973-1979 гг. - компьютер на основе суперскалярного RISC-процессора.
Эльбрус-2 - 1977-1984 гг. - 10-процессорный суперкомпьютер, использовался в Российской противоракетной системе.
Эльбрус-3 - 1985-1993 гг. - 16-процессорный компьютер с большой локальной оперативной памятью для каждого процессора (16 Мбайт) и глобальной, общей для всех процессоров, памятью (2 Гбайт).
Эльбрус-90 Микро - 1996 г. создан опытный образец компьютера.
Эльбрус-2000 (Э2К) - 1994-... разработка архитектуры postRISC с явным параллелизмом и системой двоичной компиляции. К 1999 г. архитектура была описана на языке Verilog.

6.1.2.4. Эволюция понятия компьютерная архитектура

Понятие компьютерной архитектуры претерпевало изменения с момента своего появления. Особенно это заметно на примере основного материала, изучаемого в лекционных курсах по архитектуре.

50-60-е годы XX века - компьютерная арифметика.
70-е- середина 80-х годов XX века - проектирование набора команд, особенно удобных, с точки зрения набора команд, для компиляторов.
1990-е годы XX века - проектирование организации вычислительных систем, включая процессор, память, системы ввода-вывода, а также многопроцессорные системы.

6.1.3. Классификация вычислительных систем

6.1.3.1. Функциональная классификация компьютеров

Суперкомпьютер - это устройство, сводящее проблему вычислений к проблеме ввода-вывода.
Кен Батчер

С точки зрения функциональной классификации компьютеров, можно выделить:

массивно-параллельные системы, состоящие из однородных вычислительных узлов со скоростными специализированными каналами связи;
кластерные архитектуры, представляющие собой дешевый вариант массивно-параллельных систем;
суперкомпьютеры - высокоскоростные вычислители;
мэйнфреймы - большие универсальные компьютеры;
мини-компьютеры - компьютеры, появившиеся как оппозиция мэйнфреймам и имеющие гораздо меньшие по сравнению с ними размеры. Эпоха мини-компьютеров приходится на 80-е годы XX века;
рабочие станции - высококачественные компьютеры для рабочих мест пользователей. Они вытеснили мини-компьютеры, завершив их эпоху. В модели вычислений "клиент-сервер" принято выделять разновидность данного класса - рабочие станции - серверы, выполняющие часть клиентской работы (и поэтому, обычно, имеющие более мощную конфигурацию). В этой же модели выделяют еще одну разновидность - бездисковые рабочие станции, используемые, как правило, в качестве клиентов;
терминалы - оконечные устройства, не имеющие собственного процессора общего назначения. Такие устройства фактически не являются вычислителями, а выполняют только операции ввода-вывода;
персональные компьютеры (микрокомпьютеры). В модели вычислений "клиент-сервер" принято выделять разновидность данного класса - персональные компьютеры - серверы;
переносимые компьютеры - лэптопы, ноутбуки;
карманные компьютеры - палмтопы;
встроенные компьютеры - компьютеры для специальных целей.

На рис. 6.2 функциональные классы компьютеров представлены на координатной плоскости "стоимость - мощность". Рисунок отражает сегменты вычислительных систем на конец 90-х годов XX века.

Существует международный сертификационный стандарт, регламентирующий принципы классификации персональных компьютеров и оговаривающий минимальные и рекомендуемые требования к каждой категории. Стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

массовый персональный компьютер (Consumer PC). В эту категорию попадают большинство персональных компьютеров, не имеющих специфических повышенных или пониженных требований, которые могут перевести компьютеры в другую категорию;
деловой персональный компьютер (Office PC). Для этой категории минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются;
портативный персональный компьютер (Mobile PC). Обязательным является наличие средств связи для удаленного доступа;
персональная рабочая станция (Workstation PC). Для этой категории по вышены требования к устройствам хранения данных;
развлекательный персональный компьютер (Entertainment PC) Для этой категории повышены требования к средствам воспроизведения графики.

6.1.3.2. Классификация по степени централизации

Еще одна классификация аппаратных систем связана со степенью централизации. Она определяет - насколько сильной или слабой связностью обладают аппаратные системы (рис. 6.3). Эта характеристика нам будет особенно важна при разработке программного обеспечения (это мы увидим уже в гл.7), поскольку алгоритмы программирования для аппаратных систем разной степени связности существенно отличаются.

6.1.3.3. Классификация архитектур набора команд

Поскольку архитектура набора команд в большой степени характеризует компьютерную архитектуру, приведем схему классификации, базирующуюся на наборе команд (рис. 6.4). Так как англоязычные аббревиатуры (и некоторые названия) архитектур очень широко распространены в литературе, мы специально приведем их рядом с русскоязычными названиями.

Обратим внимание на то, что архитектуры набора команд на этой схеме обозначают идеализированные концепции. Реальные процессоры иногда бывает достаточно сложно отнести к одной из них.

6.1.3.4. Классификация Флинна

Классификация Флинна была предложена в конце 60-х годов XX века и фактически является первым вариантом классификации вычислительных систем. Она основана на идее описания параллелизма по двум измерениям - параллелизм потока команд и параллелизм потока данных. Согласно этой классификации все системы могут быть разделены на четыре класса, приведенные ниже.

Одиночный поток команд и одиночный поток данных (single instruction stream and single data stream - SISD). Данный класс включает компьютеры, основанные на классической фон Неймановской архитектуре (см. разд. 6.2.1.1). Фактически с 40-х до 70-х годов XX века это.т класс был единственным.
Одиночный поток команд и множественный поток данных (single instruction stream and multiple data stream - SIMD). Ускорение в вычислениях достигается за счет разделения всей вычислительной работы на последовательность некоторых специализированных этапов и организации передачи обрабатываемых данных от текущего этапа к следующему.

О классе SIMD
Ряд авторов считают, что не существует реальной вычислительной системы, построенной на данном принципе. Другие авторы полагают, что к этому классу относятся конвейерные или магистральные системы. Мы будем считать далее, что данный класс пуст.

Множественный поток команд и одиночный поток данных (multiple instruction stream and single data stream - MISD). Системы этого класса также называют матричными процессорами или ассоциативными устройствами. Данные вычислительные системы характеризуются наличием нескольких идентичных процессорных элементов, работающих под управлением одного устройства управления. На каждом такте устройство управления предписывает исполнение одной и той же команды на всех процессорных элементах.
Множественный поток команд и множественный поток данных (multiple instruction stream and multiple data stream- MIMD). Вычислительные системы представляют собой многопроцессорный вычислительный комплекс, каждый процессор которого имеет собственное устройство управления.

6.1.3.5. Другие классификации

Системы параллельной обработки данных имеют свои специфические классификации, которые будут описаны в разд. 6.5.

Классификации компьютерных сетей будут рассмотрены в разд. 6.6.

6.1.4. Проблемы и перспективы развития

Опасность не в том, что машина начинает уподобляться человеку, а в том, что человек превращается в подобие машины.
Сидней Харрис

С функциональной точки зрения происходит усиление разделения компьютеров на две группы - клиенты и серверы. По материалам журнала IEEE Spectrum [Computers 1997], к 2002 году существенными будут следующие сегменты компьютеров (рис. 6.5).

С точки зрения создания качественно новых высокопроизводительных вычислительных систем, перспективными являются три направления.

Квантовые компьютеры - устройства, основной строительной единицей которых является кубит (qubit, quantum bit). Для описания состояний квантовой системы было введено понятие волновой функций, значение которой представляется в виде вектора с большим числом значений. Квантовая система может находиться в состоянии с волновой функцией, равной линейной комбинации собственных функций, соответствующих каждому из возможных значений. То есть это означает, что кубит в одну единицу времени равен и нулю, и единице. Классический бит в единицу времени может быть равен либо нулю, либо единице. За счет того, что квантовые вычисления обладают свойством естественного параллелизма, квантовому компьютеру необходимо гораздо меньше времени для решения задач определенного класса.
Нейрокомпьютеры (биокомпьютеры) - устройства, создаваемые на базе нейрочипов, ориентированных на решение конкретной задачи. Создание таких компьютеров базируется на теории перцептронов - искусственных нейронных сетей, которые могут обучаться распознаванию образов. Компьютеры, основанные на структурах, имеющих свойства мозга и нервной системы, помогают при решении сложных задач параллельной обработки информации. Они имеют свойства самообучаемости и высокой надежности.
Оптические компьютеры - устройства обработки информации с использованием света. Свет - электромагнитная волна, имеющая частоту, превосходящую в 10-100 миллионов раз частоту волны электрической. С ее помощью в некоторый интервал времени можно передавать большее число сигналов, а следовательно, и информации.

С проблемами и перспективами развития аппаратных средств тесно связаны два закона - Мура и Амдала.

Закон Мура утверждает, что удвоение числа транзисторов в микросхеме происходит каждые полтора-два года. Эту закономерность Гордон Мур (Gordon Moore) обнаружил в 1965 году, представив в виде графика рост производительности запоминающих микросхем. Новые модели микросхем разрабатывались спустя одинаковые периоды - 18-24 месяца после появления их предшественников. Их емкость при этом возрастала примерно вдвое. Закон объясняет, почему устаревание компьютеров происходит так стремительно - всего за несколько лет. Некоторые специалисты считают, что действие этого закона продлится до 2015 года.
Перед тем как дать формулировку следующего закона, предположим, что доля операций, которые должны быть реализованы в процессе выполнения программы последовательно, равна величине f (где 0 < f < 1). Крайние значения соответствуют полностью параллельным (f = 0) и полностью последовательным программам (f = 1). Закон Амдала утверждает, что для того, чтобы оценить, какое ускорение s может быть получено на вычислительной системе из р процессоров при заданной величине f, следует воспользоваться формулой S< l/(f+(l-f)/p). Некоторые специалисты образно называют этот закон "страшным", указывая на следующий факт. Предположим, что в программе всего лишь 10% последовательных операций (f = 0.1). Закон утверждает, что, сколько бы процессоров не было использовано, максимальное ускорение работы может быть не более чем в 10 раз. Причем 10 получается только в том случае, если время исполнения параллельной части равно нулю.

6.1.5. Рекомендации по литературе

Чтение сделало Дон-Кихота рыцарем, а вера в прочитанное сделала его сумасшедшим.
Джордж Бернард Шоу

Обратим особое внимание на следующие материалы, посвященные компьютерным архитектурам:

"Параллельные вычислительные системы" [Корнеев 1999]. Работа дает комплексное представление об аппаратных средствах массово параллельных вычислительных систем;
"Архитектура современных ЭВМ" [Майерс 1985]. Книга посвящена анализу фундаментальных проблем архитектуры;
"Компьютеры: справочное руководство" [Компьютеры 1986]. В 1-м томе этого трехтомника рассматриваются аппаратные средства ЭВМ;
"Код" [Петцольд 2001]. В книге подробно излагаются принципы работы процессора и других устройств компьютера;
"Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение" [Королев 1978]. Работа содержит обзор отечественных и зарубежных универсальных вычислительных машин;
В Интернете существует русскоязычный сервер, посвященный параллельным архитектурам (http://www.parallel.ru).

6.2. Основные архитектуры набора команд

6.2.1. Классические архитектуры

Компьютеры являются очень простыми устройствами. Они гораздо проще, чем люди, которые их создали, и студенты, которые их изучают.
Ричард Поп

В этом разделе речь пойдет о тех архитектурах, с которых начиналась история. В первую очередь это фон Неймановская архитектура. Далее - аккумулятор, стековая и регистр-регистр.

6.2.1.1. Фон Неймановская архитектура

Архитектура большей части современных вычислительных систем по существу близка архитектуре, предложенной Джоном (Яношем) фон Нейманом (John von Neumann) в 40-х годах XX века. Таким вычислительный системам присущи следующие характеристики [Майерс 1985]:

единственная последовательно адресуемая память. Программа и данные хранятся в одной памяти, адреса областей которой составляют последовательность;
память является линейной и одномерной;
отсутствует явное различие между командами и данными. Их идентифицируют неявным способом при выполнении операций;
назначение данных не является их неотъемлемой составной частью. Оно определяется логикой программы.

Цикл исполнения команд на машине, построенной на основе фон Неймановской архитектуры, приведен в листинге 6.1.

Листинг 6.1. Цикл исполнения команд для фон Неймановской архитектуры

program_counter = 0; /* инициализация программного счетчика */

do {

instruction = memory[program_counter++]; /* извлечение команды */

decode(instruction); /* декодирование команды */

fetch(operands); /* извлечение операндов */

execute; /* исполнение команды */

store(results); /* запоминание результатов */

} while ( instruction != halt);

6.2.1.2. Архитектура аккумулятор

Архитектура аккумулятор (Accumulator architecture) очень проста и наиболее близка к архитектуре простейшего калькулятора. Процессор имеет единственный регистр - аккумулятор, давший название архитектуре (рис. 6.6). Его содержимое комбинируется в арифметико-логическом устройстве (АЛУ) процессора с единственным операндом. Результат операции также помещается в аккумулятор. Существуют две команды для загрузки значения из памяти в аккумулятор и выгрузки его из аккумулятора в память. Данная архитектура использует адрес основной памяти в качестве единственного операнда команды.

Так в данной архитектуре выглядит последовательность машинных команд, которая может использоваться для сложения двух чисел:

load 1000 /* загрузить в аккумулятор значение по адресу 1000 */

add 1002 /* сложить содержимое аккумулятора со значением по адресу 1002 */

store 1003 /* результат, содержащийся в аккумуляторе, поместить по адресу 1003 */

6.2.1.3. Стековая архитектура

Арифметические команды стековой архитектуры (Stack architecture) не имеют операндов. Оба операнда берутся с вершины стека, и результат также помещается на вершину стека (рис. 6.7). Существуют две команды для загрузки значения из памяти на вершину стека и выгрузки значения на вершине стека в память. Эти команды использует адрес основной памяти в качестве единственного операнда команды.

push 1000 /* положить на вершину стека значение по адресу 1000 */

push 1002 /* положить на вершину стека значение по адресу 1002 */

add /* снять два операнда с вершины стека, сложить их, и результат положить на вершину */

pop 1003 /* результат, находящийся на вершине стека, поместить по адресу 1003 */

6.2.1.4. Архитектура регистр-регистр

Архитектура регистр-регистр (Load/Store architecture) характеризуется наличием высокоскоростной регистровой памяти, расположенной на процессоре (рис. 6.8). Эта архитектура близка к стековой, но операнды могут быть взяты из любого регистра высокоскоростной памяти. С помощью специальных команд можно производить обмен данными между регистровым файлом (регистровой памятью) и основной памятью. Арифметические и логические команды в качестве операндов используют три регистра: два из них являются источниками, а в третий помещается результат.

Для сложения двух чисел в данной архитектуре достаточно одной машинной команды:

add reg_src_l, reg_src_2, reg_dest /* сложить содержимое регистра reg_src_l с содержимым регистра reg_src_2 и результат поместить в регистр reg_dest */

6.2.2. Архитектуры CISC, RISC и VLIW

Врач может похоронить свою ошибку, архитектор - разве что обсадить стены плющом
Франк Ллойд Райт

Предваряя обзор архитектур CISC, RISC и VLIW еще раз подчеркнем, что они обозначают идеализированные концепции. Большинство широко известных реальных процессоров занимают промежуточное положение на шкале, левый край которой может быть помечен концепцией CISC, а правый - RISC. Если вы захотите поэкспериментировать с размещением процессоров на такой шкале, то рекомендуем "выйти на плоскость", используя еще одну шкалу на перпендикулярной оси - разрядность процессора.

6.2.2.1. Компьютер с полным набором команд

Основоположником архитектуры, называемой компьютер с полным набором команд (Complete Instruction Set Computer - CISC), считают компанию IBM с ее базовой архитектурой IBM/360, ядро которой используется с 1964 года. К классическим CISC-архитектурам можно отнести архитектуру VAX. Микропроцессоры компании Intel (архитектурный ряд х8б и Pentium) достаточно близки к данной архитектуре.

Для CISC-процессоров характерно:

сравнительно небольшое число регистров общего назначения (16 регистров у классических CISC-архитектур);
большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за несколько тактов;
большое количество методов адресации;
большое количество поддерживаемых форматов команд различной разрядности;
преобладание двухадресного формата команд.

6.2.2.2. Компьютер с сокращенным набором команд

Архитектура, называемая компьютер с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer - RISC), появилась благодаря тому, что еще в середине 70-х годов XX века некоторые разработчики компьютерных архитектур заметили, что даже у компьютеров сложной архитектуры большая часть времени уходит на выполнение простых команд. Справедливым оказалось правило 20/80, а именно - 20% команд используется в 80% случаев, а оставшиеся 80% команд используются в 20% случаев. Это наблюдение легло в основу работ по созданию IBM 801 - первой RISC-машины (рис. 6.9), разработка которой была завершена к 1979 году.

Само понятие RISC было введено Дэвидом Паттерсоном (David Patterson), преподавателем университета Беркли, в 1980 году.

Основными чертами концепции RISC-архитектуры являются:

одинаковая длина команд;
единый формат команд. Или, по крайней мере, использование не более двух-трех форматов;
операндами всех арифметических и логических команд могут быть только регистры;
команды выполняют только простые действия;
выполнение любой команды производится не дольше, чем за один такт;
большой регистровый файл;
только простая адресация.

В системах программирования для RISC-архитектуры практически всегда присутствуют "умные" компиляторы, имеющие большие возможности по оптимизации кода.

6.2.2.3. Архитектура с длинным командным словом

Архитектура с длинным командным словом (Very Long Instruction Word - VLIW) - это статическая суперскалярная архитектура. Несколько простых команд упаковывается компилятором в длинное слово. Слово соответствует набору функциональных устройств. Распараллеливание кода производится на этапе компиляции и в машинном коде уже присутствует явный параллелизм.

Примером реализации VLIW-архитектуры является суперкомпьютер Эльбрус-3. Собственно длинное командное слово занимает 256 бит в упакованном виде и до 500 бит в распакованном представлении. Микрораспараллеливание на уровне операций обеспечивается как для скалярных, так и для векторных вычислений. В каждой команде в максимальном варианте может запускаться одновременно до 7 арифметико-логических операций. В качестве аргументов они могут использовать результаты ранее выполненных операций, поступающие непосредственно с выхода арифметико-логических устройств, либо из быстрой регистровой памяти (буферы стека емкостью 1024 слова или буферы считанных элементов массивов емкостью 512 слов). Предусмотрено одновременное параллельное обращение по 8 каналам в локальную и (или) глобальную память.

Развитием данной архитектуры являются вычисления с явным параллелизмом команд (Explicitly Parallel Instruction Computing - EPIC). Концепция EPIC разработана совместно компаниями Intel и Hewlett-Packard. Она обладает достоинствами VLIW, но лишена ее недостатков (например, использует специальные механизмы для исключения неэффективности кодов традиционных VLIW-архитектур, требовавших применения пустых команд для заполнения пустых машинных тактов). Данная архитектура имеет следующие основные особенности:

масштабируемость архитектуры до большого количества функциональных устройств;
явный параллелизм в машинном коде;
предикатное выполнение команд, исключающее переходы. Команды из разных частей условного ветвления снабжаются предикатными полями и запускаются параллельно.

6.2.3. Вычисления

Целые числа сотворил господь бог, все остальное - дело рук человеческих.
Леопольд Кронекер

Выполнение математических расчетов на вычислительных системах связано с использованием вещественной машинной арифметики (т. е. арифметики с плавающей точкой). Поскольку любое вещественное число в машинном представлении определено дискретно, то точность таких вычислений сильно зависит от машинного представления данных. Для того чтобы полученные результаты имели математическую ценность, следует иметь некоторые оценки их точности.

6.2.3.1. Формат чисел с плавающей точкой IEEE 754

На многих архитектурных платформах в качестве стандарта принят формат чисел с плавающей точкой IEEE 754. Принципиальным различием между типами чисел с плавающей точкой является точность представления, диапазон представления и требуемая для их хранения память. В табл. 6.1 показаны эти отношения.

Таблица 6.1. Типы чисел с плавающей точкой

Тип числа	Количество значащих цифр	Количество байт
Обычная точность	6-7	4
Двойная точность	12-16	8

Числа с плавающей точкой представлены в виде мантиссы, содержащей значение числа и экспоненты, содержащей порядок степени числа. В табл. 6.2 представлено количество бит, необходимое для представления мантиссы и экспоненты каждого из типов. Старший бит любого числа с обычной или двойной точностью всегда является битом знака. Если старший бит установлен в единицу, число является отрицательным, если в ноль - положительным.

Таблица 6.2. Длины экспонент и мантисс

Тип числа	Длина экспоненты	Длина мантиссы
Обычная точность	8 бит	23 бита
Двойная точность	11 бит	52 бита

Многие алгоритмы компьютерной алгебры предполагают, что все коэффициенты формул и уравнений представляют собой точные вещественные числа. Однако в машинном представлении вещественные числа могут быть представлены лишь приближенно. Результирующая ошибка округления отражается на точности представления коэффициентов окончательного результата. Дополнительным недостатком является то, что нет непосредственной возможности оценить погрешность представления окончательного результата.

При простейших арифметических операциях над числами с плавающей точкой в машинном представлении имеет значение порядок операции. Пусть a и b- числа в формате IEEE 754 с обычной точностью и ехр{а} > ехр{b} + 8, где ехр{х} - преобразованная экспонента х в смысле IEEE 754. Тогда значение а в результате выполнения операции а := а + nb (где n - натуральное) может различаться в зависимости от порядка вычислений. Если будет произведена n раз операция а := а + b, то результат не будет отличаться от классического (точного с точки зрения арифметики). Если же сначала будет вычислено произведение nb, то при достаточно большом значении n результат а := а + (nb) будет отличен от предыдущего.

6.2.3.2. Интервальная арифметика

При практических вычислениях приходится сталкиваться со следующими проблемами.

Проблема погрешности начальных данных. В реальной жизни входные данные никогда не являются абсолютно точными.
Проблема представления данных. Вещественные числа всегда представляются в машине округленно.

Интервальная арифметика предлагает единый подход к решению этих проблем. Используя его можно добиться вычисления результата с известной погрешностью, достаточной для данной задачи. Теоретически погрешность результата при применении какого-либо алгоритма зависит от погрешности начальных данных. Практически погрешность увеличивается за счет неточности представления данных.

Интервальная арифметика, в отличие от обычной арифметики, определена на множестве интервалов (http://cs.utep.edu/interval-comp/main.html). Обозначим х=[х, х'] и y=[у, у']. Тогда четыре элементарных операции идеализированной интервальной арифметики могут быть описаны следующим образом:

х + у = [х + у, х' + у']

х - у = [х - у' , х' - у]

х * у = [min{x'y', ху', х'у, ху}, max(х'у', ху', х'у, ху}]

1 / х = [1/х', 1/х] (для х не равного нулю)

Операция деления представляется как операция умножения одной переменной на величину обратную другой:

х / у = х * (1/у)

В результате область значений каждой из четырех элементарных операций интервальной арифметики есть точный диапазон значений соответствующей операции вещественной арифметики. В случае композиции элементарных операций могут быть получены границы диапазона значений вещественной функции. Например, если f (х) = х(х - 1), то

f([0, 1]) = [0, 1]([0, 1]-1) = [О, 1] [-1, 0] = [-1, 0].

Результат содержит точный диапазон [-1/4, 0].

Мощность интервальной арифметики определяется ее поддержкой вычислительной системой. Как правило, применяется следующий подход:

использование внешнего округления дает строгие границы для диапазонов операций и функций;
результаты вычислений представляют собой интервалы, в которых должно лежать точное значение, что очень важно для научных расчетов.

6.2.4. Архитектура ЭВМ и языки программирования

Майерсом [Майерс 1985] исследован семантический разрыв между принципами, лежащими в основе языков высокого уровня, и принципами, определяющими архитектуру вычислительных систем. Объекты манипулирования и соответствующие им операции архитектуры вычислительной системы редко имеют близкое родство с объектами и операциями языков программирования. Для подробного понимания разрыва следует взять некоторый язык и какую-либо архитектуру и рассмотреть взаимосвязи между ними. Далее следует определить принципы, положенные в основу языка профаммирования, и попытаться оценить "расстояние" между ними и соответствующими принципами, на которых базируется архитектура вычислительной системы.

Компиляторы и их возможности по оптимизации и распараллеливанию профамм ифают решающую роль в современных архитектурах.

6.2.5. Оценка производительности вычислительных систем

Компьютер, который выполнит один и тот же объем работы за меньшее количество времени, является более быстрым. Основная единица измерения производительности компьютера - время.

С программой могут быть связаны нижеприведенные типы времени.

Время выполнения (астрономическое, ответа, прошедшее), являющееся полным временем выполнения программы.
Время центрального процессора, не включающее время выполнения других программ, параллельно на том же процессоре, или время ввода-вывода. Это время является суммой двух времен:
пользовательское время, потраченное процессором непосредственно на выполнение программы пользователя;
системное время, затраченное операционной системой на выполнение заданий, затребованных программой.

Обычно при измерениях производительности используется именно время центрального процессора, поскольку на разных системах некоторые задания (например, математические функции) могут быть либо частью программы пользователя, либо являться частью стандартной библиотеки операционной системы.

В большинстве современных процессоров скорость протекания процессов задается единой системой сигналов синхронизации. Дискретные временные события называются тактами синхронизации. Время центрального процессора для некоторой программы может быть получено умножением количества тактов синхронизации на время одного такого такта. Важной характеристикой процессоров является количество тактов синхронизации на одну команду. Таким образом, производительность процессора зависит от следующих параметров:

такта синхронизации;
среднего количества тактов синхронизации на команду;
количества выполняемых команд.

Существуют еще две популярные единицы измерения производительности.

Миллион команд в секунду (Million Instruction Per Second - MIPS). Это отношение количества команд в программе ко времени ее выполнения. Более быстрый процессор характеризуется большим числом MIPS. Основной недостаток данной единицы измерения в том, что она зависит от набора команд процессора и затрудняет сравнение процессоров с разными системами команд.
Миллион элементарных арифметических операций над числами с плавающей точкой в секунду (Million FLoating point Operation Per Second - MFLOPS). Эта единица измерения предназначена для оценки только операций с плавающей точкой и не применима вне этой области. Если программа редко использует арифметику с плавающей точкой, то ее MFLOPS имеет значение, близкое к нулю.

Разработаны специальные тестовые пакеты, на которых измеряется производительность процессоров. Рассмотрим некоторые из них.

Ливерморские циклы - набор фрагментов программ на языке FORTRAN. Фрагменты взяты из реальных программных систем и считаются типичными для численных задач.
UNPACK - пакет программ на языке FORTRAN для решения систем линейных алгебраических уравнений.
SPECint92 и SPECfp92 - являются пакетами, базирующимися на реальных прикладных программах из различных предметных областей. Для разработки и публикации набора таких тестов была создана специальная корпорация SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation).

6.3. Организация вычислительной системы

6.3.1. Процессор

Процессор - программно-управляемое устройство, предназначенное для обработки цифровой информации и управления процессом этой обработки. Процессор выполняет команды. Два обязательных компонента процессора:

арифметико-логическое устройство - узел, выполняющий арифметические и логические операции над операндами. Основные арифметические операции - сложение, вычитание, умножение и деление двух чисел. Основные логические операции - отрицание, конъюнкция,* дизъюнкция и эквивалентность;
устройство управления - узел, вырабатывающий и опознающий команды, осуществляющий управляемое переключение схем и цепей передачи данных, а также включающий устройства контроля.

Процессор характеризуется:

архитектурой набора команд. Поскольку именно архитектура набора команд является одним из составляющих элементов архитектуры Компьютера, то мы видим определяющую роль процессора в архитектуре компьютера;
скоростью выполнения команд (см. разд. 6.2.5);
длиной машинного слова, которое может занимать одну ячейку (байт) памяти, а может сразу несколько ячеек (байтов). Машинное слово воспринимается арифметическим устройством, устройством управления или памятью как единое целое, имеющее определенное смысловое содержание.

Выделяют два режима работы процессора.

Привилегированный режим (режим ядра операционной системы), при котором разрешены привилегированные команды (например, команды управления памятью).
Непривилегированный (пользовательский) режим, при котором привилегированные команды не разрешены.

6.3.2. Память

Память - функциональная часть компьютера, предназначенная для записи, хранения и считывания информации. Технически память реализуется в виде запоминающих устройств.

В самом простейшем случае можно выделить основную память и внешнюю память. На рис. 6.10 представлены основные классы памяти, которые могут присутствовать на современных компьютерах.

В основе иерархии памяти современных компьютеров лежат два принципа.

Принцип локальности обращений. Большинство запросов процессов на обращение к памяти имеет, как правило, неравномерный характер с высокой степенью локальной концентрации, как временной, так и пространственной;
Соотношение скорость доступа - объем памяти. Чем быстрее может быть осуществлен доступ к памяти, тем она более дорогая. Следовательно, тем менее она практична с точки зрения использования и тем меньше будет ее объем, который разумно устанавливать в компьютер. Некоторые числовые данные по средней скорости доступа к памяти и ее типичному объему представлены в табл. 6.3.

Таблица 6.3. Сравнение характеристик различных классов памяти

Класс памяти	Доступ (в наносекундах)	Объем (в килобайтах)
Кэш процессора	3	32
Кэш 2-го уровня	30	4 096
Основная память	300	500 000
Дисковая (вторичная) память	30 000 000	10 000 000

6.3.3. Шина

Шина служит для обмена информацией между отдельными функциональными устройствами компьютера. Сигналы, подаваемые на шину, разделяются на четыре категории [Петцольд 2001].

Адресные - генерируемые процессором и обычно использующиеся для адресации оперативной памяти. Могут также применяться для обращения к другим устройствам компьютера.
Вывода данных - также генерируемые процессором. Используются для передачи данных в память и на другие устройства.
Ввода данных - генерируемые различными устройствами компьютера (например, памятью) и поступающие в процессор.
Управляющие - генерируемые процессором и другими устройствами, которым нужно что-то сообщить процессору. Примером является сигнал, с помощью которого процессор указывает на необходимость записи данных в определенную ячейку памяти.

6.3.4. Устройства ввода и вывода данных

Устройства ввода-вывода предназначены для обмена информацией между компьютером и окружающим миром. Этот термин часто употребляется в собирательном смысле для обозначения любого из устройств ввода или вывода. Данные устройства естественным образом подразделяются на две категории.

Устройства ввода, позволяющие осуществлять ввод данных в компьютер.
Устройства вывода, позволяющие осуществлять вывод результатов обработки данных, программ и другой информации, хранящейся в компьютере. Устройства вывода преобразуют данные, хранящиеся в цифровой форме, в форму, которая удобна для человеческого восприятия (например, текст, графика, звук).

6.3.5. Функциональное описание

Вычислительные системы могут иметь самые разные конфигурации. Функциональное описание отражает основное функциональное назначение составных частей компьютера и связи между ними.

Эффективность использования компьютеров и потенциальные возможности развития компьютерной системы в будущем существенно зависят от конфигурации. В первых компьютерах каждое функциональное устройство имело специальный набор контактных связей со всеми другими функциональными устройствами компьютера. В настоящее время достаточно часто объединение функциональных блоков осуществляется посредством системы шин. Впервые этот способ был предложен компанией DEC. Шины - это; простые коммутаторы с разделением времени. Существуют и более сложные коммутаторы, в том числе составные (см. разд. 6.5.2).

Сейчас естественным является такое положение, что разные экземпляры компьютеров одного и того же семейства могут быть выполнены на разной элементной базе и иметь различное конструктивное оформление. Независимо от этого все компьютеры данной архитектуры (с той же самой системой команд) полностью совместимы между собой. Поэтому прикладные программы, разработанные для одной модели компьютера, можно переносить на компьютеры другой модели, но обязательно принадлежащей тому же самому семейству.

Заметим, что общих подходов для решения задачи выбора конфигурации системы не существует.

6.4. Особенности SPARC-архитектуры

Число различных реальных архитектур исчисляется сотнями, а процессоров, реализующих архитектуры, - тысячами. В сети Интернет можно найти два подробных обзора современных микропроцессоров.

Обзор Олега Репина (http://www.microprocessor.sscc.ru).
Обзор Марка Смозермана (Mark Smotherman) (http://www.cs.clemson.edu/~mark/architects.html).

В этом разделе мы дадим краткую информацию об истории и особенностях одной из наиболее интересных и элегантных архитектур - масштабируемой процессорной архитектуре SPARC (Scalable Processor ARChitecture). Также мы приведем основные сведения о командах языка Assembler для данной архитектуры и рассмотрим пример программы, порожденный компилятором.

6.4.1. История создания SPARC-архитектуры

SPARC-архитектура была сформулирована в 1985 году компанией Sun Microsystems Inc. Основные идеи были взяты из архитектур RISC I, RISC II и SOAR, разработанных инженерами университета Беркли в начале 80-х годов XX века (см. рис. 6.9).

С одной стороны, SPARC-архитектура обладает всеми особенностями RISC-архитектур. С другой стороны, у нее есть свои специфические особенности:

три основных формата команд;
небольшое число моделей адресации;
достаточно большой регистровый файл;
отдельный регистровый файл для чисел с плавающей точкой;
архитектура определяет наличие сопроцессора.

При разработке данной архитектуры решались следующие основные задачи:

поддержка языка программирования С и операционной системы Unix;
поддержка вычислительных приложений (большей частью написанных на языке FORTRAN);
поддержка приложений искусственного интеллекта и экспертных систем (написанных на языках Lisp и Prolog);

Первоначально SPARC-архитектура разрабатывалась с целью упрощения реализации 32-битного процессора. Наиболее известной 32-разрядной версией этой архитектуры является SPARC-V8, в которой под виртуальные адреса и целые числа отводится 32 бита. По мере развития технологии интегральных схем эта архитектура совершенствовалась и стала 64-разрядной в версии SPARC-V9.

6.4.2. Основные понятия SPARC-архитектуры

В этом разделе мы рассмотрим такие базисные понятия SPARC-архитектуры, как регистры, регистровые окна и стек, а также общий синтаксис команд и модель адресации.

6.4.2.1. Регистры и регистровые окна

Начнем изучение языка Assembler с регистров. В табл. 6.4 приведены стандартные обозначения для регистров общего назначения. Именно такие обозначения следует использовать в программах.

Таблица 6.4. Обозначения для регистров общего назначения в SPARC-архитектуре

Регистр	Назначение
%ri	Регистр для целых чисел с номером i (0< i <3l)
%gi (%r0-%r7)	Глобальный регистр для целых чисел с номером i (0< i <7)
%ii (%r24-%r31)	Входной регистр для целых чисел с номером i (0< i <7)
%li (%r16-%r23)	Локальный регистр для целых чисел с номером i (0< i <7)
%oi (%r8-%r15)	Выходной регистр для целых чисел с номером i (0< i <7)
%fi	Регистр для чисел с плавающей точкой с номером i (0< i <3l)
%sp	Регистр - указатель на вершину стека (%o6)
%fp	Регистр - указатель на фрейм (предыдущая вершина стека) (%i6)

Существуют несколько особенностей, связанных с регистрами, которые мы перечислим в виде списка:

глобальный регистр %g0 всегда содержит константу 0. Содержимое этого регистра не может быть изменено, поскольку запись в него игнорируется;
по соглашению в регистры %i7 и %o7 помещаются адреса возврата. Программист не должен использовать их для других целей;
по соглашению в регистры %i6 и %o6 помещаются указатели на вершины стека и фрейма. Программист не должен использовать их для других целей;
существует единственный набор глобальных регистров, который доступен всем подпрограммам программы.

В любой момент времени команде языка Assembler доступны 8 глобальных (global) целочисленных регистров и регистровое окно из 24-х регистров. Регистровое окно образуют восемь входных (in) %ii, восемь локальных (local) %ii и восемь выходных (out) %oi регистров. Восемь выходных регистров одновременно являются входными регистрами следующего окна. Регистровые окна используются для эффективной передачи параметров в вызываемую процедуру из вызывающей и наоборот (рис. 6.11). Количество окон зависит от реализации и находится в диапазоне от 3-х до 32-х. Кроме целочисленных регистров, каждой процедуре доступны глобальные регистры с плавающей точкой (floating point).

В SPARC-архитектуре существуют более 20 регистров специального назначения. Некоторые из них приведены в табл. 6.5.

Таблица 6.5. Регистры специального назначения в SPARC-архитектуре

Регистр	Назначение
%РС (Program Counter)	Содержит адрес исполняемой в данный момент команды
%NPC (Next Program Counter)	Содержит адрес следующей команды
%PSR (Processor State Register)	Содержит большое количество полей с кодами условий

6.4.2.2. Общий синтаксис команд и модель адресации

Команда языка Assembler состоит из:

необязательной метки, заканчивающейся двоеточием;
кода операции;
последовательности операндов, разделенных запятыми. Операнд, в который помещается результат, всегда указывается последним;
необязательного комментария, начинающегося с восклицательного знака.

Существуют два вида комментариев - первый начинается с восклицательного знака и завершается концом строки, а второй помещается между символами /* и */.

Большинство команд может быть отнесено к одной из трех следующих категорий (табл. 6.6).

Таблица 6.6. Вид команд в SPARC-архитектуре

Категория команд	Вид команды
Работы с памятью	opcode [%reg1+const], %reg2 (или opcode [%reg1+%reg2],%reg3)
Арифметические, логические, сдвиги	opcode %reg1, const, %reg2 (или opcode %reg1,%reg2,%regЗ)
Переходы	opcode address

Фактически мы обращаемся к памяти, используя либо результат сложения двух регистров, либо регистра и 13-битной знаковой константы. В листинге 6.2 приведено несколько примеров использования моделей адресации.

Листинг 6.2. Примеры использования моделей адресации

ld [%fp+68],%o0 ! Загрузить в регистр %о0 значение по адресу [%fp+68]

st %o0, [%fp-4] ! Содержимое регистра %о0 запомнить по адресу [%fp-4]

add %i4,%o0,%i5 ! Сложить содержимое регистров %i4 и %о0, результат поместить в %i5

add %i4,3,%i4 ! Добавить 3 к содержимому регистра %i4

6.4.2.3. Стек

Стек (рис. 6.12) предназначен для хранения значений автоматических и временных переменных и возвращаемой информации для каждого вызова процедуры. Когда происходит вызов процедуры, на стеке отводится область, называемая фреймом (frame). Эта область освобождается при выходе из процедуры. Вершина стека (она обозначается как %sp) растет в сторону уменьшения адресов.

6.4.3. Основной набор команд языка Assembler

В этом разделе мы приведем основной набор команд языка Assembler [SPARC 1994].

6.4.3.1. Команды работы с памятью

В RISC-архитектурах обычно имеется очень небольшое количество команд работы с памятью. В SPARC-архитектуре существуют всего два типа таких команд.

Команды пересылки из памяти в регистр (команды загрузки).
Команды пересылки из регистров в память (команды запоминания). Список таких команд приведен в табл. 6.7.

Таблица 6.7. Команды работы с памятью

Команда	Выполняемое действие
ldub	Загрузить беззнаковый байт
ldsb	Загрузить знаковый байт
lduh	Загрузить беззнаковое полуслово
ldsh	Загрузить знаковое полуслово
ld	Загрузить слово (32-битное)
ldd	Загрузить двойное слово
stb	Запомнить байт по указанному адресу
sth	Запомнить полуслово по указанному адресу
st	Запомнить слово по указанному адресу
std	Запомнить двойное слово по указанному адресу

6.4.3.2. Арифметические и логические команды

Основные арифметические и логические команды (табл. 6.8) близки к аналогичным командам большинства других архитектур. Для того чтобы команды устанавливали бит кода условия, следует указывать суффикс ее после кода команды (например, subcc).

Таблица 6.8. Арифметические и логические команды

Команда	Выполняемое действие
add	Сложение
sub	Вычитание
and	Побитовое "И"
andn	Побитовое "И" с инвертированным вторым операндом
or	Побитовое "ИЛИ"
orn	Побитовое "ИЛИ" с инвертированным вторым операндом
xor	Побитовое исключающее "ИЛИ"
xnor	Побитовое исключающее "ИЛИ" с инвертированным вторым операндом

6.4.3.3. Команды sethi и nop

Команда sethi помещает 22-битную константу const в 22 старших бита регистра %reg:

sethi const,%reg

При этом 10 младших битов регистра %reg устанавливаются в ноль. Существуют два специальных оператора языка Assembler: %hi() и %lo(), которые извлекают соответственно 22 старших бита и 10 младших битов операнда, указанного в скобках. Для того чтобы поместить 32-битную константу L (например, некоторый определенный адрес) в регистр %о0, следует выполнить следующую последовательность команд:

sethi %hi(L),%o0
or    %o0,%lo(L),%o0

Поскольку такой способ загрузки константы применяется довольно часто, язык Assembler определяет команду set. Команда с параметрами set L, %o0 является комбинацией двух предыдущих.

Обратим внимание и на то, что загрузка младших битов обычно комбинируется с командой st, что позволяет сразу помещать по указанному адресу содержимое некоторого регистра (например, %lo):

sethi  %hi(L),%o0

st     %10,[%o0+%lo(L)]

Ничего не делающая команда nop (no operation) на самом деле представляет собой sethi 0,%g0.

6.4.3.4. Команды save и restore

Команды save и restore выполняют две основные задачи.

Переключение на следующее (и, соответственно, предыдущее) регистровое окно.
Отведение (и, соответственно, освобождение) памяти на стеке.

Фактически команды save и restore эквивалентны команде add, дополненной возможностью переключения окон. Типичный пример использования команды save, при котором произойдет переключение на следующее регистровое окно и на стеке будет отведено 96 байтов, выглядит так:

save     %sp,-96,%sp

6.4.3.5. Команды переходов

Основные команды переходов приведены в табл. 6.9.

Таблица 6.9. Команды переходов

Команда	Выполняемое действие
ba	Безусловный переход
be	Переход по "равно"
bne	Переход по "не равно"
bg	Переход по "больше"
bge	Переход по "больше или равно"
bl	Переход по "меньше"
ble	Переход по "меньше или равно"
call	Вызов подпрограммы
jmpl	Косвенный вызов с адресом в регистре

Все переходы исполняются только после того, как будет исполнена идущая за переходом команда (называемая также отложенной командой). Это достаточно интересная и эффективная особенность архитектуры, поскольку переходы не изменяют регистр %РС, а изменяют регистр %NPC, в который уже считана отложенная команда. В качестве отложенной команды рекомендуется использовать содержательную команду, учитывая, что она будет исполнена до команды перехода. В крайнем случае, рекомендуется применять команду пор. При записи команд иногда используют следующее полезное соглашение: отложенную команду сдвигают на один пробел вправо.

Для вызова подпрограмм используется команда сан с единственным параметром - адресом вызываемой подпрограммы. Команда передает управление по указанному адресу. Существует соглашение, согласно которому параметры вызываемой подпрограммы должны находиться в регистрах от %оО до %о5, а возвращаемый подпрограммой скалярный результат будет помещен в регистр %оО.

6.4.3.6. Команды синхронизации

Команды синхронизации представляют собой атомарные команды, что означает их неделимость, невозможность прерывания в процессе их исполнения. На многопроцессорных компьютерах гарантируется, что если на два или более процессоров эти команды поступят одновременно, то они будут исполнены в неопределенном, но последовательном порядке. Приведем примеры двух таких команд.

Команда idstub (load-store unsigned byte) копирует содержимое памяти (байт) по адресу addr в регистр гед, а все биты памяти addr устанавливаются в единицу.

ldstub  [addr],reg;

Команда swap обменивает содержимое регистра гед и содержимое памяти (слово) по адресу addr.

swap [addr],reg.

6.4.3.7. Синтетические команды

В SPARC-архитектуре (как и в любой другой RISC-архитектуре) отсутствуют многие команды, которые можно встретить на других архитектурах. С целью обеспечения удобства SPARC-Assembler имеет большое количество синтетических команд, которые он транслирует в эквивалентные команды, типичные для SPARC-архитектуры. Некоторые синтетические команды приведены в табл. 6.10.

Таблица 6.10. Синтетические команды

Синтетическая команда	Эквивалентная команда
cmp %reg,%reg	subcc %reg,%reg,%g0
dec %reg	sub %reg,l,%reg
inc %reg	add %reg,1,%reg
mov %reg,%reg	or %g0,%reg,%reg
neg %reg	sub %g0,%reg,%reg
not %reg	xnor %reg,%g0,%reg
restore	restore %g0,%g0,%g0
ret	jmpl %i7+8,%g0

6.4.3.8. Псевдокоманды языка Assembler

Псевдокоманды (или директивы) языка Assembler выполняются во время трансляции программы и, как правило, не порождают команд. Все псевдокоманды начинаются с точки. Некоторые из них приведены в табл. 6.11.

Таблица 6.11. Псевдокоманды языка Assembler

Псевдокоманда	Назначение
.section	Начало сегмента
.size	Установить размер символа (в байтах)
.type	Установить тип символа
.align	Установить выравнивание (в байтах)
.skip	Захватить указанное количество байтов в текущем сегменте
.global	Глобальный символ, доступен внешним программам
.word	Константа длиной слово
.double	Константа длиной двойное слово

6.4.4. Примеры программ на языке Assembler

Начнем этот раздел с достаточно очевидного утверждения - писать программы на языке Assembler, в том числе и на SPARC-Assembler, неразумно. Современные оптимизирующие компиляторы генерируют код, сравнимый по эффективности с кодом, написанным вручную. Тем не менее, в некоторых случаях знание языка Assembler является полезным, а в ряде случаев (например, при разработке компиляторов) просто необходимым.

6.4.4.1. Простейшая программа

Перед тем как написать простейшую программу, укажем некоторые минимальные требования и основные соглашения о связях.

Следует отвести не менее 92-х байтов (23 32-разрядных слова) на стеке. Эту память может использовать для сохранения значений механизм регистровых окон (например, при прерывании по нехватке очередного регистрового окна). Реально должно быть отведено 96 байтов, поскольку память должна быть выровнена на границу двойного слова.
Точкой входа в программу пользователя является глобальный символ main. Так выглядит возможное начало программы:

.global main

main: save %sp,-96,%sp.

Для возврата управления операционной системе следует применять две следующие команды:

ret        !	Стандартная команда возврата из подпрограммы

  restore  !	Вернуться к предыдущему регистровому окну

           !	Заметим, что restore - отложенная команда

           !	и будет выполнена до ret.

Текст простейшей программы, печатающей сообщение "Hello, world!", приведен в листинге 6.3.

Листинг 6.3. Текст программы, печатающей сообщение "Hello, world!"

! Минимальный пролог секции кода
     .section	   ".text"
     .global	    main
     .align 4 
main:
     save  %sp,-96,%sp 
! Основная часть: вызов подпрограммы (printf)  для печати строки
     set    string,%o0  ! Комбинация команд sethi и or
     call   printf
     nop         ! Отложенная команда 
! Стандартный эпилог секции кода
     ret
      restore	   ! Отложенная команда 
! Секция данных
     .section	   ".rodatal"
     .align 4 
string:
     .ascii "Hello, world!\n\000"

6.4.4.2. Программа, сгенерированная компилятором

Как уже отмечалось, не рекомендуется писать программы вручную на языке Assembler. По исходной программе на языке С (листинг 6.4) оптимизирующим компилятором компании Sun Microsystems Inc. была сгенерирована программа на языке Assembler (листинг 6.5).

Листинг 6.4. Текст программы на языке C

#include <stdio,h>  
int counter(int i)   {
return(i);
}
int main(} (
    int i; 
    int s = 0; 
    for (i=0; i<500; i++)
         s = s + counter(i); 
    printf("%d \n", s); 
    return 0;
}

Листинг 6.5. Программа, сгенерированная компилятором

    .section	   ".bss",#alloc,#write 
Bbss.bss:
    .section	   ".data",#alloc,#write 
Ddata.data:
    .section	   ".rodata",#alloc
!
!   CONSTANT POOL
!
Drodata.rodata:
    .file "for.c"
    .section	   ".rodata1",#alloc
    .align 4
!
! CONSTANT  POOL
!
.L104:
    .ascii  "%d \n\000"
    .section	   ".text",#alloc,#execinstr 
/* 000000       0 */      .align  4 
/* 000000         */      .skip   16 
/* 0x0010         */      .align  4 
! FILE  for.c 
!    1             !#include <stdio.h>
!    2	            !int counter(int i)  {
!
! SUBROUTINE  counter
! OFFSET     SOURCE  LINE      LABEL    INSTRUCTION
                               .global counter
                         counter:
/* 000000       2 */           retl   ! Result  = %o0 
/* 0x0004         */           nop 
/* 0x0008       0 */           .type  counter, 2 
/* 0x0008       0 */           .size  counter,(.-counter)
.section ".text",#alloc,#execinstr
/* 000000 0 */ .align 4
! 3 ! return(i);
! 4 ! }
! 5 lint main() { i
! SUBROUTINE main
! OFFSET SOURCE LINE LABEL INSTRUCTION
.global main
main:
/* 000000 5 */ save %sp,-96,%sp 
! 6 ! int i; 
! 7 ! int s = 0; 
/* 0x0004 7 */ or  %g0,0,%10 
! 8 ! for (i=0; i<500; i++) 
/* 0x0008 8 */ or %g0,0,%ll 
! 9 ! s = s + counter(i);  
/* 0x000c 9 */ or %g0,0,%o0
.L900000207:
/* 0x0010 9 */ call counter ! params = %o0 ! Result = %o0 
/* 0x0014 */ add %11,1,%11  
/* 0x0018 */ add %10,%o0,%10 
/* 0x001c */ cmp %11,500 
/* 0x0020 */ bl .L900000207  
/* 0x0024 */ or %g0,%ll,%o0 
! 10       ! printf("%d \n", s);
.L77000029:
/* 0x0028 10 */ sethi %hi (.L104),%gl 
/* Ox002c    */ add %gl,%lo(.L104),%o0
/* 0x0030    */ call printf ! params = %o0 %o1 ! Result = 
/* 0x0034    */ or %g0,%10,%o1
! 11 ! return 0; 
/* 0x0038 11 */ ret ! Result = %i0
/* ОхОО3c    */ restore %g0,0,%o0
/* 0x0040 0 */ .type main,2 
/* 0x0040 0 */ .size main,(.-main)

6.4.5. Организация SPARC-архитектуры

Организацию SPARC-архитектуры мы проиллюстрируем на примере окружения архитектуры процессора UltraSPARC компании Sun Microsystems Inc. Высокая производительность процессора UltraSPARC потребовала создания гибкой масштабируемой архитектуры межсоединений. В результате оказалось достаточно просто строить системы для широкого круга приложений.

Архитектура Ultra Port Architecture - UFA представляет собой спецификацию, описывающую логические и физические интерфейсы порта системной шины и требования, накладываемые на организацию соединений (рис. 6.13). К этим портам подключаются все устройства системы. Архитектура UPA основана на пакетной коммутации сообщений по принципу "точка-точка".

Процессор UltraSPARC представляет собой высокопроизводительный, высокоинтегрированный суперскалярный процессор, реализующий архитектуру SPARC-V9 (рис. 6.14). Он имеет устройство предварительной выборки и диспетчеризации команд, целочисленное исполнительное устройство, устройство плавающей точки с графическим устройством, устройство управления памятью, устройство загрузки/записи, устройство управления внешней кэш-памятью, устройство управления интерфейсом памяти, а также внутренний кэш команд и кэш данных. Устройство предварительной выборки и дешифрации команд процессора обеспечивает выборку команд в буфер команд, окончательную их дешифрацию, группировку и распределение для параллельного выполнения в конвейерных функциональных устройствах процессора. Буфер команд имеет емкость 12 команд. Команды могут быть выбраны из любого уровня иерархии памяти: кэш-памяти команд, внешней кэш-памяти или из основной памяти системы.

6.5. Параллельные и распределенные архитектуры

6.5.1. Основные классы параллельных архитектур

Считается, что история параллельных вычислений состоит из трех основных этапов.

Векторно-конвейерные вычисления.
Параллельные вычисления на множестве процессоров.
Вычисления на системах из микропроцессоров с кэш-памятью и разделяемой, физически распределенной основной памятью.

Основной характеристикой классификации параллельных и распределенных архитектур считают наличие общей или распределенной (локальной для каждого из узлов) памяти. Принято выделять пять основных классов параллельных компьютеров (http://www.parallel.ru).

Массивно-параллельные системы (Massive Parallel Processing - МРР), состоящие из однородных вычислительных узлов, которые в свою очередь включают один или несколько центральных процессоров, локальную память, коммуникационный процессор или сетевой адаптер, жесткие диски и другие устройства ввода-вывода. Данный класс характеризуется скоростными и специализированными каналами связи и широкими возможностями по масштабируемости (scalability).
Кластерные архитектуры (Cluster Architecture), представляющие собой дешевый вариант массивно-параллельных систем. В них узлами являются обыкновенные рабочие станции или персональные компьютеры. Они связываются с помощью сетевых технологий на базе коммутатора или шинной архитектуры. Данный класс характеризуется возможностью компоновки из конфигураций симметричных мультипроцессорных систем, использованием стандартных (следовательно - дешевых) компонентов и более слабой по сравнению с МРР масштабируемостью.
Симметричные мультипроцессорные системы (Symmetric Multi-Processing - SMP), состоящие из нескольких однородных процессоров и массива общей памяти. Все процессоры имеют доступ к любой точке памяти с одинаковой скоростью.
Системы с неоднородным доступом к памяти (Non-Uniform Memory Access - NUMA) состоят из однородных базовых модулей, включающих один или несколько процессоров и блок памяти. Поддерживается единое адресное пространство, но доступ некоторых модулей к общей памяти осуществляется в несколько раз медленнее, чем к локальной. Данная архитектура представляет собой нечто среднее между архитектурами массивно-параллельных и симметричных мультипроцессорных систем.
Параллельные векторные системы (Parallel Vector Processing - PVP) характеризуются наличием специальных векторно-конвейерных процессоров. В них предусмотрены команды однотипной обработки векторов независимых данных.

6.5.2. Коммутаторы вычислительных систем

Коммуникационная среда вычислительных систем на структурном уровне состоит из трех компонентов:

Сетевых адаптеров (сетевых плат), осуществляющих интерфейс между вычислительным устройством и сетью передачи пакетов.
Коммутаторов сети передачи пакетов.
Кабелей, служащих для подсоединения входных и выходных каналов адаптеров к портам коммутатора и соединения коммутаторов друг с другом.

Разнообразные схемы построения коммутаторов обычно комбинируют несколько их базовых типов. Коммутаторы разделяют,на простые и составные, компонуемые из простых.

6.5.2.1. Простые коммутаторы

Простые коммутаторы бывают с временным и пространственным разделением [Корнеев 1999].

Простые коммутаторы с временным разделением называются также шинами или шинными структурами. Особенность таких коммутаторов заключается в использовании общей информационной магистрали для передачи данных между устройствами, подключенными к шине (см. рис. 6.1).
Простые коммутаторы с пространственным разделением способны соединить любой вход с любым одним выходом или подмножеством выходов. Пространственное разделение объясняется тем, что каждое соединение входов и выходов выполняется разным оборудованием. Коммутатор представляет собой совокупность мультиплексоров, число которых равно количеству выходов коммутатора.

6.5.2.2. Составные коммутаторы

Тем, кто хорошо знаком с пятым измерением, ничего не стоит раздвинуть помещение до желательных пределов. Скажу вам больше, уважаемая госпожа, до черт знает каких пределов!
М. Булгаков. "Мастер и Маргарита"

Основной принцип построения коммутаторов с большим числом входов и выходов - создание сложного коммутатора из совокупности коммутаторов с меньшим числом входов и выходов путем объединения этих коммутаторов линиями "точка-точка", снижающих требования к размножению входов [Корнеев 1999].

Очень часто составные коммутаторы строятся из простых коммутаторов с пространственным разделением с двумя входами и двумя выходами.

Примерами составных коммутаторов являются:

коммутатор Клоза, имеющий три каскада коммутаторов - входных, промежуточных и выходных;
баньян-сети и дельта-сети.

Существует распределенный способ построения составных коммутаторов. При этом составной коммутатор строится из простых так, что один вход и один выход каждого составляющего коммутатора служат входом и выходом составного коммутатора. К каждому составляющему коммутатору подключается процессор и память, образуя в совокупности вычислительный модуль с каналами для соединения с себе подобными. Некоторые типы составных коммутаторов приведены на рис. 6.15.

6.5.3. Некоторые классификации параллельных архитектур

Кроме классической классификации Флинна существует множество других классификаций: Фенга, Шора, Хендлера, Хокни, Шнайдера, Джонсона, Базу, Кришнамурти, Скилликорна, Дазгупты, Дункана (http://www.parallel.ru). Рассмотрим подробнее некоторые из них.

6.5.3.1. Классификация Хокни

Классификация Хокни позволяет далее систематизировать архитектуры, относящиеся к очень широкому классу MIMD по классификации Флинна. Основная идея состоит в том, что множественный, поток команд может быть обработан двумя способами.

Одним конвейерным устройством обработки, работающим в режиме разделения времени для отдельных потоков. Такие компьютеры называют конвейерными.
Каждый поток обрабатывается своим собственным устройством. Такие вычислительные системы в свою очередь делятся на два класса.
Компьютеры, в которых возможна прямая связь каждого процессора с каждым процессором, реализуемая с помощью переключателя. Среди них выделяют компьютеры с общей и распределенной памятью.
Компьютеры, в которых прямая связь каждого процессора возможна только с ближайшими соседями по сети, а взаимодействие удаленных процессоров поддерживается специальной системой маршрутизации через процессоры-посредники. Считается, что все такие компьютеры имеют распределенную память, а дальнейшая классификация определяется топологией сети: иерархические структуры, гиперкубы, регулярные решетки и т. п.

6.5.3.2. Классификация Кришнамурти

В данной классификации предлагается использовать четыре качественные характеристики параллелизма.

Степень гранулярности, определяющей уровень параллелизма. Классификация выделяет параллелизм на уровне данных, команд и задач.
Способ реализации параллелизма, который может быть либо чисто аппаратным, либо аппаратно-программным.
Топология и природа связи процессоров. Топология связи близка к способу реализации параллелизма. Для аппаратного способа следует рассматривать топологию связей процессора (например, кольцо, звезда и т. п.) и степень связности процессоров между собой (сильная, слабая, средняя). Для аппаратно-программной реализации следует дополнительно учесть механизм реализации связи - передача сообщений, общая память и т. п.
Способ управления процессорами, определяющий общий принцип функционирования всей совокупности процессоров вычислительной системы - синхронный, управляемый потоками данных, или асинхронный.

Принцип построения классификации - иерархический. Для каждой из степеней гранулярности рассматриваются все способы реализации параллелизма и т. п. (рис. 6.16).

На основе четырех выделенных характеристик можно определить место наиболее известных классов архитектур в данной классификации.

Например, для параллельных векторных систем:

степень гранулярности - на уровне данных;
способ реализации параллелизма - аппаратный;
топология - простая, степень связности процессоров - средняя;
способ управления процессорами - синхронный.

6.6. Архитектура компьютерных сетей

Вообще говоря, компьютерная сеть - частный случай распределенной архитектуры. Однако это очень важный случай, которому мы посвятим данный раздел.

6.6.1. Классификация сетей и сетевые топологии

6.6.1.1. Классификация сетей по типу технологии передачи данных

По технологии передачи данных сети можно разделить на два основных типа.

Тип вещание (от одного ко многим), имеющий режим, ксада сообщение, отправленное одной машиной, получают все машины в' сети. В определенном поле сообщения указан адрес получателя. Будет ли обработан пакет на данной машине (т. е. передан операционной системе), зависит от ряда факторов.
Тип точка-точка, соединяющий каждую пару машин индивидуальным каналом.

6.6.1.2. Классификация сетей по сетевым топологиям

Сетевая топология - геометрическая форма (физическая связность) сети. Наиболее распространенными являются топологии шина, кольцо, звезда, иерархия и ячеистая (рис. 6.17).

6.6.1.3. Классификация сетей по масштабу

Ниже приведем классификацию сетей по масштабу.

Локальные сети, находящиеся в частном ведении пользователя и расположенные на ограниченной территории. Их характеристики.
Высокоскоростные каналы передачи данных.
Устройства, соединяемые каналами, находятся недалеко друг от друга.
Топология сети имеет тенденцию к упорядоченности и структурной однородности. Как правило, она шинная или кольцевая.
Городские сети охватывают несколько зданий в пределах одного города или весь город целиком.
Региональные сети охватывают значительное географическое пространство (например, страны и континенты). Их характеристики.
Каналы сравнительно медленные, обычно предоставляются телефонными компаниями.

О каналах передачи данных для региональных сетей
Обратим внимание на то, что в современном мире утверждение о медленных каналах становится не совсем верным. Появление оптоволоконных каналов существенно увеличивает скорость передачи данных в региональных сетях.

Устройства, соединяемые каналами, находятся на значительном удалении друг от друга.
Топология сети характеризуется нерегулярностью. Как правило, она ячеистая или иерархическая.
Глобальные сети охватывают всю планету. Примером является сеть Интернет.

6.6.2. Стандарты в области сетей IEEE 802

Институт инженеров по электротехнике и электронике разработал ряд стандартов в области сетей [Бертсекас, Галлагер 1989]. Далее более подробно мы рассмотрим следующие три стандарта:

802.3 - шинный доступ;
802.4 - маркерная шина;
802.5 - маркерное кольцо. Перечислим еще несколько стандартов:
802.1 - общий документ;
802.2 - управление логическим каналом;
802.6 - городские сети;
802.11 - беспроводные сети;
802.12 - высокоскоростные компьютерные сети.

6.6.2.1. Метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий

Доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection CSMA/CD) является методом доступа с состязанием [Блэк 1990].

Каждый узел может в любой момент начать передачу пакета. Коллизия - сталкивание пакетов при одновременной передаче. Узлы сами обнаруживают коллизии. В случае возникновения коллизии оба узла вводят задержку посылки пакетов случайным образом, а затем осуществляют повторную посылку пакетов.

Реальное воплощение стандарта на метод доступа с контролем несущей и обнаружением коллизий - это протокол Ethernet. Существуют незначительные различия в формате кадра между Ethernet и IEEE 802.3.

6.6.2.2. Маркерная шина

В случае маркерной шины право использования среды передается от узла к узлу не состязательным путем, а организационным способом с помощью маркера. Маркер перемещается по логическому кольцу физической шинной топологии с использованием адресации узлов. В случае появления нового узла, передача пакетов приостанавливается, и система устанавливает новый порядок обхода логического кольца.

6.6.2.3. Маркерное кольцо

Маркерное кольцо представляет топологию физического кольца, имеющего узлы и однонаправленные звенья. Для обеспечения доступа к сети на основе приоритетов используется маркер. Маркер может находиться в двух состояниях - свободном и занятом. Свободный маркер передается от узла к узлу, если ни у одного узла нет пакетов для передачи. Если у узла есть пакет для передачи, то он должен ждать прихода свободного маркера. Далее он изменяет состояние маркера на занятое и передает его далее по кольцу с пакетом данных. Узлы регенерируют сигнал, проверяют адрес и передают данные следующей станции. При прохождении через узел назначения пакет копируется. В конце концов, данные будут получены станцией-отправителем, которая изменяет состояние маркера на свободное и передает его следующему узлу.

Одна из станций - сетевой активный монитор - порождает новые маркеры, если это необходимо, и генерирует диагностические кадры. Монитор выбирается при инициализации кольца и им может быть любая машина.

При выходе из строя хотя бы одного узла возникают проблемы целостности кольца. Для решения этих проблем возможно введение дополнительных связей между узлами.

Протокол, который поддерживает маркерное кольцо - Token Ring. Он используется реже, чем Ethernet, из-за достаточно дорогого оборудования. Однако скорость передачи данных этого протокола более высокая.

6.6.3. Аппаратная поддержка локальных сетей

Рассмотрим аппаратную поддержку локальных сетей на примере сети Ethernet. Известны следующие среды передачи, используемые в Ethernet:

на толстом коаксиальном кабеле (10Base-5);
на тонком коаксиальном кабеле (10Base-2);
на витой паре (10Base-T);
на волоконно-оптической линии (10Base-F).

В исходной спецификации Ethernet использовался толстый коаксиальный кабель, далее появился тонкий коаксиальный кабель. В 90-х годах XX века наиболее распространенной средой стала витая пара. Постоянная величина для всех перечисленных сред - временное окно Ethernet (51,2 микросекунды). Сигнал, посланный компьютером на одном конце сети, должен достигнуть компьютера на другом конце не более чем за половину этого времени.

6.6.3.1. Ethernet на толстом коаксиальном кабеле (10Base-5)

Пример данной локальной сети приведен на рис. 6.18.

Уточним некоторые понятия, приведенные на рисунке.

Сетевой контроллер (сетевой адаптер, сетевая плата) - печатная плата, установленная в каждом компьютере. Контроллер реализует функции физического уровня и управление доступом к передающей среде.
Блок доступа (трансивер) - устройство для подключения кабеля блока доступа к толстому коаксиальному кабелю.
Терминатор - разъем, устанавливаемый в качестве заглушки на концах сегмента кабеля.

Существуют некоторые ограничения на тактико-технические характеристики данной сети. Они зависят от изготовителя, но их средние значения таковы:

максимальная длина сегмента кабеля - 500 метров. Реальная длина зависит от скорости передачи и должна гарантировать обнаружение коллизий;
максимальное число узлов в сети - 100;
минимальное расстояние между блоками доступа 2,5 метра.

6.6.3.2. Ethernet на тонком коаксиальном кабеле (10Base-2)

Пример данной локальной сети приведен на рис. 6.19.

Уточним еще одно новое понятие, приведенное на рисунке.

Т-разветвителъ - разветвитель, имеющий разъем для подключения к сетевому контроллеру и два гнезда для подключения кабелей от соседних узлов.

Ограничения на тактико-технические характеристики данной сети таковы:

максимальная длина сегмента кабеля - 185 метров;
максимальное число узлов в сети - 30;
минимальное расстояние между блоками доступа 0,5 метра.

6.6.3.3. Ethernet на витой паре (10Base-T)

Пример данной локальной сети приведен на рис. 6.20.

Эта быстрая, дешевая, легко перестраиваемая архитектура. Уточним новое понятие, приведенное на рисунке.

Концентратор (хаб) - устройство согласования и усиления электрических сигналов.

Существует ограничение на длину луча витой пары - 100 метров.

6.6.3.4. Ethernet на волоконно-оптической линии (10Base-F)

Волоконно-оптическая линия обычно применяется в тех случаях, когда расстояние между узлами сети превышает возможности традиционных сред передачи. Волоконно-оптические соединения можно использовать на линиях до двух километров.

6.6.4. Глобальная сеть Интернет

Революционным является то, что обновляет самое себя.
П. Витгенштейн

На рубеже веков был проведен опрос профессиональных программистов - что оказало на них наибольшее воздействие в последнем десятилетии XX века. Итоги опроса нетрудно предсказать - более половины ответили - "Интернет".

6.6.4.1. Введение в Интернет

Интернет-технологии - технологии, позволяющие наступать на грабли,
находящиеся на другой стороне земного шара.
Программистский фольклор

Интернет - имя, под которым объединена группа мировых информационных ресурсов, в том числе совокупность нескольких международных глобальных сетей.

Все официальные стандарты технологии коммуникации в сети Интернет (интернет-технологии) публикуются как документы Request for Comments (RFCs) (http://www.rfc-editor.org/). Эти документы имеют форму заметок о сети Интернет, в которых обсуждаются многочисленные аспекты коммуникации, включая сетевые протоколы, процедуры, программы и концепции.

С точки зрения программиста кроме внешней, видимой всем пользователям стороны Интернета, существует и реализационная сторона - в виде программной поддержки сети (см. разд. 7.2.3).

Интернет (как сеть, объединяющая ресурсы) обладает двумя основными свойствами.

Предоставляет информационные ресурсы. С точки зрения программиста, в качестве ресурсов могут рассматриваться и библиотеки программ, и инструментарий (например, компиляторы, текстовые редакторы и отладчики).
Имеет средства работы с этими ресурсами. Перечислим некоторые из таких средств: электронная почта, программа telnet, программа ftp, телеконференции, среда WWW, программа chat, Интернет-браузеры.

6.6.4.2. История и эволюция Интернета

Начало истории Интернета было положено созданием в США научной структуры - агентства ARPA (Advanced Research Projects Agency). Приведем некоторые даты, связанные с историей Интернета:

1967 г. - первая в мире локальная вычислительная сеть Создана в Англии. Презентация сети для ARPA;
1968 г. - создан первый пакетный коммутатор для ARPANET (ARPA NETwork). Интерфейсные пакеты сообщений (Interface Message Processor - IMP) выполняли функции, подобные функциям современных маршрутизаторов. Это была разработка компании Bolt, Beranek & Newman;
1969 г. - в сентябре состоялась передача первого компьютерного сообщения между узлами в Калифорнийском университете (Лос-Анжелес) и Стэнфордском исследовательском институте. Эту дату многие считают днем рождения Интернета;
1970г.- в ARPANET применяют Network Control Protocol. ALOHA - прообраз Ethernet;
1971 г. - ARPANET насчитывает 15 узлов;
1971 г. - Рэй Томлисон (Ray Tomlison) из компании Bolt, Beranek & Newman послал первое сообщение по электронной почте;
1978 г. - TCP/IP используется в других сетях (например, PRNET и SATNET). Разнообразие технологий пакетной коммутации;
1983 г. - 1 января - переход ARPANET на протоколы TCP/IP. Эта дата также претендует на день рождения Интернета;
1995 г. - 30 апреля - движение информации по Интернету было передано в ведение коммерческих сетей.

Отметим также некоторые даты, связанные с началом Российской истории Интернета:

1989 г. - июль - проведен первый обмен сообщениями с Финляндией (http://news.demos.su/private/demos.html). Выполнили Вадим Антонов, Дмитрий Володин (Москва), Лео Томберг (Таллин), Петри Ояла (Хельсинки);
1990 г. - образование сети Relcom. Первоначально она объединяла компьютеры ИВЦ ИАЭ им. И. В. Курчатова и кооператива Демос. В августе установлена устойчивая связь с европейской сетью EUnet;
1991 г. - 20 июля - образование сети FREEnet. Корпоративная, некоммерческая компьютерная сеть основана по инициативе Института органической химии им. Н. Д. Зелинского.

В 1998 году американский журнал Forbes под заголовком "Легенды Сети" опубликовал имена самых влиятельных людей, внесших огромный вклад в развитие сети Интернет:

Линус Торвальдс (Linus Torvalds) (28 лет) - создатель операционной системы Linux.
Ричард Столлман (Richard Stallman) (45 лет) - основатель Фонда свободного программного обеспечения (Free Software Foundation).
Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee) (43 года) - разработчик World Wide Web.
Роб Глейзер (Rob Glaser) (36 лет) - основатель компании RealNetworks.
Джерри Янг (Jerry Yang) (29 лет) - основатель портала Yahoo!

Не случайно первое место отведено Торвальдсу. Благодаря доступности в паре с сервером Apache (http://www.apache.org) операционная система Linux прочно заняла место в сети Интернет.

В табл. 6.12 отражен рост количества инсталляций систем, связанных с Интернетом.

Таблица 6.12. Количество инсталляций систем, связанных с Интернетом

Система	Инсталляции (1996 год)	Инсталляции (2000 год)
Серверы Интернета	15 000 000	75 000 000
Компьютеры с доступом в Интернет	45 000 000	300 000 000
Компьютеры с электронной почтой	55 000 000	400 000 000

Книг, посвященных сети Интернет, выпущено огромное количество. Пожалуй, одними из самых интересных и оригинальных остаются (несмотря на их достаточно почтенный возраст) следующие руководства:

"Все об Internet" [Крол 1995];
"Секреты Internet" [Левин, Бароди 1996];
"Желтые страницы Internet (русские ресурсы)" [Сигалов 1996]. Можно считать, что каталог русскоязычного Интернета начинался именно с этой работы.

Кстати, очень логично будет предложить читателю найти информацию об Интернете в самом Интернете. Последовательность действий проста. Следует зайти в сетевом браузере на один из поисковых серверов. Далее нужно ввести текстовую строку, например "информационные ресурсы Интернета", и выполнить запрос на поиск информации.

Миллионы программистов благодарны сети Интернет только за то, что именно ее развитие нарушило господство компании Microsoft в индустрии программистской инженерии и производства программных продуктов. Именно в середине 90-х годов XX века мы узнали о технологиях и программных продуктах компаний Netscape, Sun Microsystems Inc. и многих других. Сколь бедно было бы наше представление о программировании, если этого бы не произошло.

В данной главе мы рассматривали сети (в том числе, Интернет) c аппаратной точки зрения. В следующей (7-й) главе мы обратимся к сетям с точки зрения программной поддержки со стороны операционных систем.

ЛИТЕРАТУРА

Мысли не сохраняются, их надо во что-то воплотить.
А. Уайтхед

1. Бертсекас, Голлагер 1989- Бертсекас Д., Галлагер Р. Сети передачи данных. - М.: Мир, 1989.

2. Блэк 1990 - Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы.- М.: Мир, 1990.

3. Векторизация 1991 - Векторизация программ: теория, методы, реализация. Сборник статей. - М.: Мир, 1991.

4. Компьютеры 1986 - Компьютеры: справочное руководство. В 3-х томах. - М.: Мир, 1986.

5. Корнеев 1999 - Корнеев В. В. Параллельные вычислительные системы. - М.: "Нолидж", 1999.

6. Королев 1978- Королев Л. Н. Структуры ЭВМ и их математическое обеспечение. - М.: Наука, 1978.

7. Крол 1995 - Эд Крол. Все об Internet. - К.: Торгово-издательское бюро BHV, 1995.

8. Левин, Бароди 1996- Левин Джон Р., Бароди Кэрол. Секреты Internet. - К.: "Диалектика", 1996.

9. Майерс 1985 - Майерс Г. Архитектура современных ЭВМ. В 2-х кн.- М.: Мир, 1985.

10. Петцольд 2001 - Петцольд Ч. Код. - М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 2001.

11. Раис 1990 - Раис Л. Эксперименты с локальными сетями микроЭВМ. - М.: Мир, 1990.

12. Сигалов 1996- Сигалов А. Желтые страницы Internet (русские ресурсы).- СПб.: Питер, 1996.

13. Хемминг 1972 - Хемминг Р. В. Численные методы. - М.: 1972.

14. Paul 1994 - Richard P. Paul. SPARC architecture, assembly language programming, and C. Prentice-Hall, Inc. 1994.

15. SPARC 1994 - The SPARC Architecture Manual. Prentice-Hall, Inc. 1994.

технологии программирования к оглавлению к высокоуровн. языкам - 3GL к визуальным средам - 4GL

Знаете ли Вы, что абстракция через параметризацию - это прием программирования, позволяющий, используя параметры, представить фактически неограниченный набор различных вычислений одной программой, которая есть абстракция этих наборов.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира