Introduzione all'architettura dei calcolatori

Classificazione delle architetture

Possiamo individuare tre motivi essenziali per tentare una classificazione sistematica delle architetture dei calcolatori; in primo luogo, una classificazione ragionata ci consente di comprendere appieno le proprietà delle architetture già esistenti; in secondo luogo, l'analisi delle zone rimaste vuote nello schema di classificazione può suggerire strutture alternative (il che peraltro non implica che queste siano poi effettivamente suscettibili di implementazione). In terzo luogo, infine, una classificazione adeguata consente di costruire modelli utilizzabili delle prestazioni di un'architettura, permettendo così di stabilire in anticipo perché e in che modo una particolare architettura può fornire un miglioramento delle prestazioni.

La classificazione di Flynn

Già nel 1966 Flynn proponeva una classificazione delle architetture dei calcolatori [7], rimasta ancor oggi molto popolare, che si basa sulla molteplicità delle istruzioni e dei dati.

Si hanno così quattro grandi famiglie:

• Le architetture SISD (Single Instruction, Single Data), comprendenti i comuni calcolatori a singolo processore, nei quali esso svolge sia le funzioni di processore di istruzioni che quelle di processore di dati. E' difficile trovare esempi di grandi calcolatori realizzati con questa architettura: come si è visto, certe prestazioni minime possono essere garantite solo se è presente un certo grado di parallelismo a qualche livello. Praticamente tutti i piccoli calcolatori, personal computer compresi, appartengono tuttavia a questa classe.
• Le architetture SIMD (Single Instruction, Multiple Data), nelle quali opera ancora un singolo processore di istruzioni; le istruzioni sono poi eseguite nel processore stesso (ad esempio, le istruzioni di salto), oppure vengono inviate in parallelo ad un certo numero di processori di dati, che le eseguono in modo sincrono ma su dati diversi immagazzinati nelle loro memorie locali.
• Le architetture MISD (Multiple Instruction, Single Data): non esistono sistemi che possano essere con certezza ascritti a questa classe.
• Le architetture MIMD (Multiple Instruction, Multiple Data) dove molte unità di elaborazione operano in parallelo in maniera asincrona e sono dotate di memorie private, ovvero si contendono l'accesso ad una memoria comune. Nelle macchine MIMD ad accoppiamento stretto, il numero di unità di elaborazione è prefissato e diversificato (sommatori, moltiplicatori, etc.), ed esse operano sotto la supervisione di un rigido schema di controllo. In sistemi più recenti, non rivolti esclusivamente all'esecuzione veloce di problemi scientifici, troviamo connessioni meno strette e più modulari, che possono a loro volta essere classificate in base al meccanismo di risoluzione dei conflitti nell'accesso alle memorie.

La classificazione di Feng

In epoca successiva Feng suggeriva [6] l'uso del grado di parallelismo per classificare le architetture dei calcolatori. Il massimo numero di cifre binarie (bit) che possono essere elaborate nell'unità di tempo viene detto massimo grado di parallelismo P. Sia P_i il numero di bit che possono essere processati all'interno dell'i-esimo ciclo del processore; è possibile allora definire un grado medio di parallelismo su T cicli come

In generale, P_i non è maggiore di P. Si può quindi definire un tasso di utilizzazione m relativo a T cicli come

Se la potenza di calcolo del processore è pienamente utilizzata, se quindi il parallelismo è pienamente sfruttato, allora abbiamo P_i = P per ogni i, e m = 1 che equivale a un'utilizzazione al 100%. Il tasso di utilizzazione dipende ovviamente dal programma applicativo in corso di esecuzione, e da come esso è stato suddiviso in segmenti suscettibili di elaborazione parallela.

Altri schemi di classificazione

Nel 1977 Haendler introduceva un ulteriore schema di classificazione [9] basato sia sul numero delle unità di controllo e delle unità aritmetiche presenti nel sistema, sia sul grado di pipelining associato a ciascuno di essi.

Più recentemente, Skillicorn [16] ha proposto uno schema di classificazione ancor più sofisticato, basato sulla classificazione e la differenziazione delle unità funzionali di elaborazione che abbiamo discusso in precedenza; tale schema può tuttavia essere riguardato essenzialmente come un'estensione e una generalizzazione di quello di Feng.

Introduzione all'architettura dei calcolatori

© 1997-2003 Paolo Marincola (Rome, Italy)
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Last revised: 2003-12-06 19:43