• wprowadzanie i wyprowadzanie danych może być realizowane w postaci odpowiedniej dla człowieka (klawiatura, ekran) lub właściwej dla współpracy z jakimś obiektem (np. czujnik temperatury grzejnik)

• podział na kategorie

• określanie własności

• prosta

• ma znaczenie historyczne - należy ją znać

• ilustruje strukturę komputera

• stosunkowo mało znana, ale przyda się do wyjaśnienia kilku istotnych elementów podczas kursu

• Zaproponowana przez Michaela J. Flynna około 1968 roku

• Zakłada, że komputer jest urządzeniem przetwarzającym strumienie danych na podstawie strumieni instrukcji

• Klasyfikuje komputery według liczby strumieni instrukcji i danych

• Liczba strumieni może wynosić 1 lub n (więcej niż 1)

Taksonomia Flynna - tabela

---

• SISD (Single Instruction stream, Single Data stream)

• pojedynczy strumień instrukcji i danych

• przykład: uniprocesor von Neumanna

• najbardziej rozpowszechniony typ architektury

• jeden strumień instrukcji, wiele strumieni danych

• jedna instrukcja powoduje wykonanie tej samej operacji na wielu kompletach danych

• przykład: procesor wektorowy lub macierzowy

• nie bardzo wiadomo, co to jest (procesor potokowy?)

• przykład: wieloprocesor. wielokomputer

Tabelę Flynna można rozszerzyć o dodatkowy wiersz i kolumnę, odpowiadające zerowej liczbie strumieni instrukcji i danych. Urządzenie bez strumieni danych nie jest komputerem – w tej części tabeli można by umieścić niektóre automaty. Znacznie bardziej interesujący jest wiersz odpowiadający architekturom bez strumieni instrukcji. Są to tzw. komputery sterowane przepływem danych.

• Urządzenia bez strumieni danych nie są komputerami

• komputer musi przetwarzać dane

• same dane mogą nieść informacje o potrzebnym przetwarzaniu

• są to tzw. maszyny sterowane przepływam danych (dataflow)

• Możemy wyróżnić uniprocesory i wieloprocesory Dataflow

Komputery sterowane przepływem danych

---

• Jednostka przetwarzana - token

• zawiera dane oraz "metkę" (tag), opisującą zawartość

• metka jest odpowiednikiem instrukcji, opisującej, co należy zrobić z danymi

• ok. 1985 roku firma NEC produkowała mikroprocesor dataflow

• nie ma to nic wspólnego ze sprzętem komputerowym

Komputer sterowany przepływem danych nie ma jawnych instrukcji. Operuje on na tzw. „tokenach”, czyli obiektach złożonych z danych i opisujących je znaczników – metek.

Metka zastępuje instrukcję. Na podstawie metki procesor sterowany przepływem danych przekształca cały token- zarówno dane jak i metkę, tworząc nowy token.

O ile maszyny dataflow nie są współcześnie konstruowane, to samo podejście dtaflow jest używane do opisu procesów informacyjnych.

Taksonomia Flynna - podsumowanie

---

• Taksonomia Flynna nie ma istotnego znaczenia - poza historycznym

• Cztero literowe skróty - symbole architektur - są w powszechnym użyciu i należy je znać

Taksonomia Skillicorna

---

• Zaproponowana około 1988 roku przez Davida Skillicorna

• Taksonomia opisuje budowę komputera jako strukturę złożoną ze składników

• Dwa poziomy szczegółowości 

• tutaj przedstawimy tylko jeden

Taksonomia Skillicorna jest zbudowany całkowicie odmiennie od taksonomii Flynna. Zakłada ona, że każda architektura stanowi połączenie pewnej liczby składników. W ten sposób taksonomia syntetyzuje architekturę, zamiast ją klasyfikować.

Abstrakcyjne składniki architektury

---

• "abstrakcyjne" - bo nie ma bezpośredniej odpowiedniości pomiędzy składnikami modelu Skillicorna i fizycznymi elementami komputera

• Składniki:

• Procesory instrukcji (IP) - pobierają i analizują instrukcje

• Procesory danych (DP) - wykonują operacje na danych

• Hierarchie pamięci instrukcji (IM) - przechowują instrukcje

• Hierarchie pamięci danych (DM) - przechowują dane - argumenty operacji i wyniki

• nawet jeśli w rzeczywistej strukturze komputera jest inaczej

Taksonomia Skillicorna posługuje się abstrakcyjnymi składnikami architektury. Procesory instrukcji pobierają instrukcje z hierarchii pamięci instrukcji i przekazują je procesorom danych do wykonania. Procesory danych wykonują operacje na danych pobieranych z hierarchii pamięci danych i zapisują wyniki tych operacji z powrotem do hierarchii pamięci. Same procesory danych nie zawierają żadnych elementów pamiętających.

W modelach architektur przyjmuje się, że liczba hierarchii pamięci jest równa liczbie procesorów danego typu. Oznacza to, że model architektury ze wspólną hierarchią pamięci dla kilku procesorów jest przedstawiany jako model z kilkoma hierarchiami pamięci i możliwością dostępu każdego procesora do każdej hierarchii pamięci.

Budowa modeli w taksonomii Skillicorna

---

• Każdy procesor instrukcji współpracuje z hierarchią pamięci instrukcji, a procesor danych - z hierarchią pamięci danych

• Liczba procesorów danych może wynosić 1 lub N, a procesorów instrukcji - 0, 1 lub N

• Połączenia składników:

• Procesory z hierarchiami pamięci

• Procesory instrukcji z procesorami danych

• Procesory jednego rodzaju pomiędzy sobą

• 1 - 1 

• 1 - N

• N - N ("każdy ze swoim", czyli N połączeń 1 - 1)

• N x N ("każdy z każdym")

Tworząc modele w taksonomii Skillicorna przyjmuje się kilak założeń. Liczba hierarchii pamięci jest równa liczbie procesorów. Komputer musi zawierać przynajmniej jeden procesor danych. Dozwolone są połączenia pomiędzy procesorami i hierarchiami pamięci tego samego rodzaju (kodu albo danych) oraz połączenia pomiędzy procesorami.

Taksonomia Skillicorna - składniki

---

Rysunek przedstawia prosty model w taksonomii Skillicorna (jest to model uniprocesora von Neumanna). Procesory są oznaczone symbolicznie kołami, a hierarchie pamięci – trójkątami. Strzałki reprezentują połączenia i kierunki przesyłania informacji.

Strzałki pionowe z prawej strony procesorów i hierarchii pamięci reprezentują żądania dostępów, a strzałki po prawej stronie – przepływ instrukcji i danych. Na kolejnych rysunkach podwójne strzałki zostaną zastąpione pojedynczymi, reprezentującymi kierunki przepływu danych i instrukcji, z pominięciem żądań dostępu.

Współpraca składników

---

• Procesor instrukcji - hierarchia pamięci instrukcji

• Procesor przesyła do hierarchii pamięci żądania pobrania instrukcji

• Hierarchia pamięci instrukcji zwraca instrukcje

• procesor instrukcji przesyła instrukcje w postaci zrozumiałej dla procesora danych

• procesor danych zwraca informacje o stanie przetwarzania oraz informacje dotyczące przebiegu wykonania programu

• procesor przesyła żądania odczytu i zapisu danych

• hierarchia pamięci przesyła dane - argumenty operacji

• Procesor danych - procesor danych - wymiana danych

Procesor instrukcji przesyła do hierarchii pamięci instrukcji żądanie pobrania instrukcji. W odpowiedzi otrzymuje instrukcje. instrukcje przesyłane są po zdekodowaniu do procesora danych, który wykonuje operacje na danych.

Procesor danych przesyła do hierarchii pamięci żądania operacji odczytu i zapisu. Dane pomiędzy procesorem danych i hierarchią pamięci danych przesyłane są w dwóch kierunkach (strzałka po prawej stronie).

Procesor danych przesyła do procesora instrukcji informacje o stanie przetwarzania, umożliwiające procesorowi instrukcji decydowanie o dalszym przebiegu wykonania programu w zależności od wyników przetwarzania danych.

Modele w taksonomii Skillicoma

---

• Można zbudować około 30 różnych modeli architektur

• Tylko 6 z tych modeli ma sensowne znaczenie:

• uniprocesor dataflow

• wieloprocesor dataflow

• uniprocesor von Neumanna (SISD)

• procesor wektorowy (SIMD)

• wieloprocesor słabo sprzężony (MIMD)

• wieloprocesor silnie sprzężony (MIMD)

• ma sens tylko dla procesorów danych

• słabe - przez kanał komunikacji pomiędzy procesorami

• silne - poprzez wzajemny dostęp do hierarchii pamięci (praktycznie wspólna hierarchia pamięci)

Spośród około 30 możliwych topologicznie modeli tylko 7 reprezentuje realizowalne architektury komputerów.

Architektury dataflow

---

Uniprocesor von Neumanna i procesor wektorowy

---

Wieloprocesory von Neumanna

---

Hierarchia pamięci

---

• nie da się zbudować pamięci o dowolnie dużej pojemności i dowolnie krótkim czasie dostępu

• czas dostępu rośnie z pojemnością

• struktura hierarchiczna-warstwowa

• kolejne warstwy mają coraz większe pojemności i czasy dostępu

Taksonomia Skillicorna posługuje się pojęciem hierarchii pamięci w miejsce dużo bardziej popularnego pojęcia pamięci. Słowo „hierarchia” dobrze oddaje budowę pamięci współczesnego komputera, w którym znajduje się kilka bloków funkcjonalnych służących do przechowywania programów i danych.

Idealny komputer powinien mieć jak największą i jak najszybszą pamięć. Pojemność pamięci wpływa na jej fizyczne rozmiary, a te – na czas dostępu. Nie można więc zbudować dowolnie dużej i jednocześnie szybkiej pamięci.

Problem ten rozwiązuje się przez wyodrębnienie wielu warstw o zróżnicowanej pojemności i szybkości, tworzących razem hierarchię pamięci. Kolejne warstwa w miarę oddalania się od procesora mają coraz większe pojemności i coraz dłuższe czasy dostępu.

Warstwy hierarchii pamięci

---

• rejestry

• kieszenie (1..3 poziomów)

• pamięć operacyjna

• pamięć masowa (rozszerzenie p. operacyjnej w systemie pamięci wirtualnej)

• pamięć masowa (system plików)

• nośniki wymienne, zasoby sieciowe

Hierarchia pamięci współczesnego komputera, z punktu widzenia konstrukcji komputera, składa się z czterech warstw.

Rejestry fizycznie znajdują się wewnątrz procesora, dzięki czemu dostęp do nich jest bardzo szybki.

Kieszenie, wprowadzone po raz pierwszy około 1968 roku, zapewniają buforowania danych pomiędzy procesorem i pamięcią operacyjną w celu przyspieszenie dostępu do pamięci.

Warstwa pamięci wirtualnej, powstała również około 1968 roku, zapewnia rozszerzenie pamięci operacyjnej.

Z punktu widzenia użytkownika do hierarchii pamięci należy zaliczyć wszelkie zasoby służące przechowywaniu danych. Logiczne staje się więc uzupełnienie rysunku o lokalny system plików komputera oraz o zasoby zdalne, w postaci nośników wymiennych i serwerów sieciowych.

Sterowanie hierarchią pamięci

---

• najczęściej używane obiekty przemieszczane w górę hierarchii

• sterowanie przemieszczaniem

• programista piszący program/kompilator

• sprzęt

• system operacyjny

• program użytkowy/użytkownik

• użytkownik

O ile zasada działania hierarchii pamięci dotyczy wszystkich warstw, to mechanizmy sterujące przemieszczaniem danych pomiędzy poszczególnymi warstwami są różne.

O umieszczeniu danych w rejestrach decyduje programista piszący program w języku asemblerowym lub kompilator języka wysokiego poziomu.

Styk warstwy kieszeni i pamięci operacyjnej jest sterowany na poziomie sprzętu. Stykiem pamięci operacyjnej i wirtualnej steruje system operacyjny przy użyciu jednostki zarządzania pamięcią.

O umieszczeniu danych w pamięci wirtualnej decyduje użytkownik – otwierając plik danych lub uruchamiając program.

Przemieszczaniem danych pomiędzy lokalnym systemem plików i nośnikami wymiennymi lub zasobami sieciowymi steruje użytkownik.

Hierarchia pamięci - rok 2006

---

Tabela przedstawia orientacyjne parametry poszczególnych warstw hierarchii pamięci. Należy zwrócić uwagę na dużą różnicę czasów dostępu kieszeni i pamięci – czas podany dla pamięci dotyczy pojedynczego, losowego dostępu do pamięci dynamicznej typu DDR.

Maszyna von Neumanna

---

• Instrukcje tworzące program są przechowywane w pamięci w taki sam sposób, jak dane

• Pamięć składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek

• dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numeru komórki

• numer komórki nazywamy ADRESEM

• zazwyczaj komputer będzie pobierał kolejne instrukcje programu z kolejnych komórek pamięci

• komórki te będą wybierane przez zwiększający się adres, który powinien być przechowywany i inkrementowany w procesorze

• adres ten jest przechowywany w specjalnym rejestrze - tzw. liczniku instrukcji (Program Counter - PC)

Architektura von Neumanna jest określona przez zestaw cech. Model maszyny von Neumanna wprowadza specyficzny mechanizm dostępu do pamięci – poprzez adres.

Z takiej organizacji pamięci i z faktu przechowywania w niej programu wynika z kolei obecność rejestru licznika instrukcji.

Warianty organizacji hierarchii pamięci w realizacjach maszyn von Neumanna

---

• „Harvard" - oddzielne hierarchie pamięci programu i danych

• „Princeton" - wspólna hierarchia pamięci programu i danych

• Na następnych ekranach będziemy posługiwali się symbolami wziętymi z taksonomii Skillicorna w sposób niezgodny z zasadami tworzenia modeli obowiązującymi w tej taksonomii

• nie będą to modele Skillicorna!!!

Dwa warianty architektury von Neumanna różnią się sposobem przechowywania instrukcji i danych. Architektura Harvard jest niekiedy uważana za architekturę nie spełniającą postulatów von Neumanna wobec faktu oddzielnego przechowywania instrukcji i danych.

Kolejne rysunki posługują się symbolami zapożyczonymi z taksonomii Skillicorna w sposób sprzeczny z zasadami budowy modeli wprowadzonymi przez tę taksonomię.

Architektura Harvard

---

• Realizacja maszyny von Neumanna z oddzielnymi hierarchiami pamięci programu i danych

• często uznawana za architekturę nie-vonneumannowską ze względu na dyskusyjność zachowania postulatu o jednakowym składowaniu instrukcji i danych

• czyli brak możliwości programowania

• komputer dostarczany ze stałym programem

• dopuszczalne tylko w zastosowaniach wbudowanych

Architektura Princeton

---

• "Wzorcowa" realizacja maszyny von Neumanna ze wspólną hierarchią pamięci instrukcji i danych

• Wspólna hierarchia wyklucza równoczesne pobieranie instrukcji i operacje na danych

• tzw. von Neumann bottleneck

• obiekt zapisany przez procesor danych do hierarchii pamięci jako dany może być następnie pobrany przez procesor instrukcji jako instrukcja

• możliwość programowania - potrzebna w komputerach uniwersalnych

• program może sam siebie modyfikować (automodyfikacja)

•  nie zawsze jest to pożądana cecha

Architektura Harvard-Princeton

---

Hierarchia pamięci w architekturze Harvard-Princeton charakteryzuje się częściowym rozdzieleniem hierarchii pamięci. Co najmniej jeden poziom kieszeni jest oddzielny dla hierarchii pamięci instrukcji i danych.

• Realizacja maszyny von Neumanna z oddzielnymi górnymi warstwami hierarchii pamięci i wspólnymi warstwami dolnymi

• Przynajmniej jeden poziom kieszeni jest oddzielny dla procesorów instrukcji i danych

• Większość odwołań do hierarchii pamięci jest realizowanych w górnych warstwach

• szybkie działanie dzięki równoległości dostępów jak w architekturze Harvard

• programowalność - niezbędna w komputerach uniwersalnych

Architektura Harvard-Princeton łączy zalety architektury Harvard (wydajność) i Princeton (programowalność). Programowalność nie jest tu jednak dokładnie taka sama, jak w architekturze Princeton.

Harvard-Princeton - modyfikacja programu

---

• Program użytkowy nie ma pełnej kontroli nad położeniem obiektów w hierarchii pamięci

• brak możliwości automodyfikacji

• jeden program (proces) może modyfikować drugi

• możliwość ładowania programu np. z pliku

• automodyfikacja jest niebezpieczna

• w tym wszystkie współczesne komputery PC