2011. Машбук, страница 10

Во-первых, принцип двоичного кодирования информации нарушается, таккак в мире есть, по крайней мере, один пример использования троичной системысчисления. Это машина Сетунь, её автор – Николай Петрович Брусенцов, которыйработает у нас на факультете. Во-вторых, принцип программного управления всовременных компьютерах тоже нарушен, так как он декларирует последовательнуюобработку и выбор информации, а подавляющее большинство компьютеров начинаетобрабатывать команды «с забеганием» вперёд, то есть во время выполнения текущейкоманды последующие команды уже начинают выбираться (иногда эта работа можетпойти насмарку, например, в случае ветвления по условию).

В-третьих, принципхранимой программы также на сегодняшний день нарушен – в подавляющем большинствекомпьютеров ОЗУ хранит команды и данные «немного по-разному».Ниже мы рассмотрим базовые структурные и функциональные особенностисовременных компьютеров, уделив особое внимание рассмотрению структурнойорганизации компьютера как системы, объединяющей разнородные (по назначению ипроизводительности) аппаратные компоненты и работающей под управлениемоперационной системы. Рассмотрим простейшую систему (Рис. 21). В оперативнойпамяти находится исполняемая программа (т.е. все команды и данные последовательновыбираются из ОП). Соответственно, ЦП обеспечивает выборку, анализ и исполнениекоманд. Скорость обработки информации в процессоре, скорость доступа к данным,размещенным в оперативной памяти, и скорость обмена данными с внешнимиустройствами могут отличаться друг от друга на порядки.

И если в системе не будутпредусмотренысредства,компенсирующиеэтотдисбаланс,тоитоговаяпроизводительность будет определяться наименее производительным элементом, активноиспользуемым в работе системы. Мы будем смотреть на архитектуру именно с позицийсистемы – где эти проблемы возникают и как эти проблемы в системе разрешаются.Итоговая производительность вычислительной системы во многом определяетсярешениями на уровнях аппаратуры и операционной системы, которые позволяютминимизировать последствия дисбаланса в производительности, как аппаратных, так ипрограммных компонентов.Рассмотрим теперь подробнее характеристики каждого из компонентовкомпьютера.32ЦПАЛУУУкэш II уровняОперативнаяпамятьрегистровая памятькэш I уровняшина данныхШИНАСетевая картаУстройстваввода-выводаВнешнее запоминающееустройствоРис. 21. Базовая архитектура современных компьютеров.1.2.2 Оперативное запоминающее устройствоОперативное запоминающее устройство (RAM — Random-Access Memory, памятьс произвольным доступом) – это устройство для хранения данных, в котором находитсяисполняемая программа.

ОЗУ еще называют основной памятью, или оперативнойпамятью. Команды программы, исполняемые компьютером, поступают в процессорисключительно из ОЗУ. Таким образом, основным назначением оперативной памятиявляется хранение программы, которая выполняется в настоящее время компьютером.Оперативная память состоит из ячеек памяти. Ячейка памяти — это устройство, вкотором размещается информация. Ячейка памяти может состоять из двух полей (Рис. 22).Первое поле — поле машинного слова, второе — поле служебной информации (или ТЕГ).Рассмотрим назначение каждого из этих полей.Ошибка!Рис. 22. Ячейка памяти.Машинное слово — поле программно изменяемой информации.

В машинномслове могут располагаться машинные команды (или части машинных команд) илиданные, с которыми может оперировать программа. Машинное слово имеетфиксированный для данной ЭВМ размер. Обычно под размером машинного словапонимается количество двоичных разрядов, размещаемых в машинном слове. Когдаиспользуются термины «16-ти разрядный компьютер», или «32-х разрядный компьютер»,или «64-х разрядный компьютер», это означает, что речь идет о компьютерах,оперативная память которых имеет машинные слова размером 16, 32 или 64 разрядасоответственно.Поле служебной информации — ТЕГ (tag — ярлык, бирка) — поле ячейкипамяти, в котором схемами контроля процессора и ОЗУ автоматически размещается33информация, необходимая для осуществления контроля за целостностью и корректностьюиспользования данных, размещаемых в соответствующем машинном слове.

В принципеТЭГ может отсутствовать.Использование поля служебной информации (ТЭГа) может осуществляться вследующих целях.Контроль за целостностью данных. Простейшая модель – этоодноразрядный ТЭГ, который использовался для контроля чётности.

Содержимое поляиспользуется для контрольного суммирования кода, размещенного в машинном слове.При каждой записи информации в машинное слово автоматически происходитконтрольное суммирование (количества единичек в записываемом коде) и формированиесодержимого поля служебной информации (бит чётности или нечётности). При чтенииданных из машинного слова также автоматически происходит контрольное суммированиекода, находящегося в машинном слове, а затем полученный код контрольной суммысравнивается с кодом, размещенным в поле служебной информации.

Совпадение кодовговорит о том, что данные, записанные в машинном слове, не потеряны. Несовпадениеговорит о том, что произошел сбой в ОЗУ и информация, находящаяся в машинном слове,потеряна, в этом случае в процессоре происходит прерывание (прерывания будутрассматриваться несколько позднее). На Рис. 23 изображена ячейка памяти с 16-тиразрядным машинным словом и одноразрядным полем ТЕГа. Контрольный разряддополняет код машинного слова. Вариант А: содержимое машинного слова корректное,вариант Б — ошибка.

Здесь следует отметить, что одноразрядное контрольноесуммирование может "пропускать" потери пар единиц в коде машинного слова, т.е. этасхема контроля не может отлавливать чётное количество ошибок, — вариант В.Контроль доступа к командам/данным. Рассмотрим проблемы,возникающие в машинах фон Неймана. Первая — ситуация "потери" управления впрограмме, т.е.

ситуация, при которой из-за ошибок в программе в качестве исполняемыхкоманд начинают выбираться процессором и исполняться данные. Вторая проявляетсятогда, когда программа из-за ошибки сама затирает свою кодовую часть: на место командзаписываются данные. Отладка подобных ошибок достаточно трудоемка, т.к.возникновение ошибки в программе и ее проявление могут быть существенно разнесеныпо коду программы и по времени проявления. Контроль доступа к командам/даннымобеспечивает защиту от возникновения подобных проблем.

Суть этого решениязаключается в следующем. Когда мы размещаем программу в памяти и генерируем код, томы сразу же «раскрашиваем» всю информацию на два цвета – машинные слова, в которыхнаходятся команды, и машинные слова, в которых находятся данные. При включенииспециального режима работы процессора запись машинных команд в оперативную памятьсопровождается установкой в ТЕГе специального кода, указывающего, что в данноммашинном слове размешена команда. Также соответствующий признак устанавливаетсяпри записи данных. При выборке очередной команды из памяти автоматическипроверяется содержимое соответствующих разрядов ТЕГа: если в машинном словеразмещена команда, то будет продолжена ее обработка и выполнение.

Если возникаетпопытка выполнения в качестве команды кода, записанного как данные, то происходитпрерывание, т.е. фиксируется возникновение ошибки. Здесь мы видим первый случайотхода от одного из принципов организации компьютеров фон Неймана — введениеконтроля за семантикой информации, размещенной в машинном слове.Это нужно для выполнения одного из основных требований, связанных снадёжностью программирования – система должна всеми силами минимизироватьвозможные ошибки в программе пользователя.

Например, ошибка, связанная с передачейуправления на область данных, может проявиться только позже, и такие ошибки ловитьочень трудно.34Рис. 23. Контроль четности.Контроль доступа к машинным типам данных. Развитием контроля засемантикой информации («раскраски информации в два цвета»), размещенной воперативной памяти, является модель доступа к машинным типам данных.

Как известно,каждый компьютер имеет так называемые машинные типы данных. Это означает, чтосуществуют группы машинных команд, которые оперируют с данными одного типа(целые, вещественные с фиксированной точкой, вещественные с плавающей точкой,символьные, логические). Т.е. при выполнении команды используемые операндыинтерпретируются согласно машинному типу данных в соответствии с типом команды.Согласно одному из принципов фон Неймана способ интерпретации информации воперативной памяти зависит исключительно от характера использования этойинформации.

Т.е. любой код, записанный в машинное слово, может быть использован вкачестве кода машинной команды, если устройство управления обратилось за очереднойкомандой к этому машинному слову, и этот же код может быть проинтерпретирован каккод любого машинного типа данных, если он используется в качестве операнда командысоответствующего типа. Контроль доступа к машинным типам данных осуществляется засчет фиксации в поле ТЕГа кода типа данных при их записи в машинное слово, а прииспользовании этих данных в качестве операндов команд осуществляется автоматическаяпроверка совпадения типа операнда и типа команды.

Если они совпадают, то командапродолжает свое выполнение, если нет, то происходит прерывание. Как видим, контрольза использованием машинных типов данных является еще одним проявлением отходаархитектуры компьютеров от принципов фон Неймана.Наличие или отсутствие поля служебной информации в ячейке памяти, характерего использования зависят от конкретного типа компьютеров.

В каких-то компьютерах этополе ячейки памяти может отсутствовать, и в этом случае размер ячейки памяти совпадаетс машинным словом. В каких-то — поле со служебной информацией ячейки памяти есть ииспользуется для организации контроля за целостностью данных и корректностью ихиспользования.В ОЗУ все ячейки памяти имеют уникальные имена, имя — адрес ячейки памяти.Обычно адрес — это порядковый номер ячейки памяти (нумерация ячеек памятивозможна как подряд идущими номерами, так и номерами, кратными некоторомузначению). Доступ к содержимому машинного слова осуществляется принепосредственном (например, считать содержимое слова с адресом А) или косвенном35использовании адреса (например, считать значение слова, адрес которого находится вмашинном слове с адресом В).