введение_1 (1085732), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium. Поскольку доступ к памяти для получения команд или наборов данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, все центральные процессоры содержат внутренние регистры для хранения ключевых переменных и временных результатов. Поэтому набор инструкций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохранения слова из регистра в памяти. Другие команды объединяют два операнда из регистров, памяти или и того и другого и получают результат. Например, складывают два слова и сохраняют результат в регистре или памяти.
Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных и временных результатов, большинство компьютеров имеет несколько специальных регистров, видимых для программиста. Один из них называется счетчиком команд (PC, program counter), в нем содержится адрес следующей, стоящей в очереди на выполнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.
Еще один регистр процессора называется указателем стека (SP, stack pointer). Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а также локальные и временные переменные, не хранящиеся в регистрах.
Следующий регистр называется PSW (Processor Status Word — слово состояния процессора). Этот регистр содержит биты кода состояний, которые задаются командами сравнения, приоритетом центрального процессора, режимом (пользовательский или режим ядра), и другую служебную информацию. Обычно пользовательские программы могут читать весь регистр PSW целиком, но писать могут только в некоторые из его полей. Регистр PSW играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.
Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто останавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой. Каждый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все регистры процессора, чтобы позже, когда программа продолжит свою работу, их можно было восстановить.
В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные CPU обладают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодированием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером п он может декодировать команду с номером п + 1 и считывать команду с номером п + 2. Подобная организация процесса называется конвейером, три его стадии продемонстрированы на рис. 1.5. Часто встречаются и более длинные конвейеры. В большинстве конвейерных конструкций считанная команда должна быть выполнена, даже если в предыдущей команде был принят условный переход. У разработчиков компиляторов и операционных систем это свойство конвейеров часто вызывает головную боль.
Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является суперскалярный центральный процессор, продемонстрированный на рис. 1.6. В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй — для операций с плавающей точкой и еще один — для логических операций. За один такт считывается две или более команды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно заглядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должна гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при этом подходе весьма неприятные усложнения коснулись и операционной системы.
Рис. 1.5. Конвейер с тремя стадиями
Узел выбора
команды
Узел
декодирования
Буфер
хранения
Узел выбора
команды
Узел
декодирования
Рис. 1.6. суперскалярный процессор
Большинство центральных процессоров, кроме очень простых,
используемых во встроенных системах, имеют два режима работы: режим ядра и пользовательский режим. Обычно режим задается битом слова состояния процессора (регистра PSW). Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операционная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.
В противоположность этому программы пользователей работают в пользовательском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены в пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре PSW, естественно, недоступна.
Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сформировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и активизирует функции операционной системы. Команда TRAP (эмулированное прерывание) переключает режим работы процессора из пользовательского в режим ядра и передает управление операционной системе. После завершения работы управление возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за системным вызовом. Мы рассмотрим в деталях процесс системных вызовов позже в этой главе. В дальнейшем для выделения системных вызовов в тексте мы будем использовать такой же шрифт, как в этом слове: read.
Стоит отметить, что в компьютерах, помимо инструкций для выполнения системных вызовов, есть и другие прерывания. Большинство этих прерываний вызываются аппаратно для предупреждения об исключительных ситуациях, таких как попытка деления на ноль или переполнение при операциях с плавающей точкой. Во всех подобных случаях управление переходит к операционной системе, кото-
рая должна решать, что делать дальше. Иногда нужно завершить программу с сообщением об ошибке. В других случаях ошибку можно проигнорировать (например, при потере значимости числа его можно принять равным нулю). Наконец, если программа объявила заранее, что требуется обработать некоторые виды условий, управление может вернуться назад к программе, позволяя ей самой разрешить появившуюся проблему.
Память
Второй основной составляющей любого компьютера является память. В идеале память должна быть максимально быстрой (быстрее, чем обработка одной инструкции, чтобы работа центрального процессора не замедлялась обращениями к памяти), достаточно большой и чрезвычайно дешевой. На данный момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход. Системы памяти конструируются в виде иерархии слоев, как показано на рис. 1.7.
Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Они сделаны из того же материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32 х 32 бит на 32-разрядном процессоре и 64 х 64 бит на 64-разрядном процессоре. Это составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.
В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т. д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени. Кэш-память ограничена в размере, что обусловлено ее высокой стоимостью. В некоторых машинах есть два или даже три уровня кэша, причем каждый последующий медленнее и больше предыдущего.
Среднее время доступа Средний объем
| 1 НС | Регистры | <1 Кбайт |
| 2 нс | Кэш | 1 Мбайт |
| 10 нс | Основная память | 64—512 Мбайт |
| 10 мс | Магнитный диск | 5—50 Гбайт |
| 100 с | Магнитная лента | 20—100 Гбайт |
Рис. 1.7. Типичная иерархическая структура памяти. Числа приблизительны
Далее следует оперативная память. Это главная рабочая область запоминающего устройства машины. Оперативную память часто называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, в англоязычной литературе RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом). Раньше иногда ее называли core memory — запоминающее устройство на магнитных сердечниках, поскольку в 50-е и 60-е годы в компьютерах для оперативной памяти использовали крошечные намагничиваемые ферритовые сердечники. Сейчас память составляет десятки и сотни мегабайт и растет с потрясающей скоростью. Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память.
Следующим в продемонстрированной на рисунке структуре идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и зачастую на два порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой продемонстрировано на рис. 1.8.
Читающая/записывающая головка (одна на поверхность)
Поверхность 7
Поверхность 6 Поверхность 5
Поверхность 4 Поверхность 3
Поверхность 2 Поверхность 1
Поверхность 0
Направление движения вилки с головками
Рис. 1.8. Устройство жесткого диска
Жесткий диск состоит из одной или нескольких металлических пластин, вращающихся со скоростью 5400,7200 или 10 800 оборотов в минуту. Механическая вилка поворачивается над дисками подобно звукоснимателю на старых граммофонах для проигрывания виниловых пластинок на скорости 33 оборота в минуту. Информация записывается на пластины в виде концентрических окружностей. Головки в каждой заданной позиции вилки могут прочитать кольцо на пластине, называемое дорожкой. Все вместе дорожки для заданной позиции вилки формируют цилиндр.
Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. На современных дисках внешние цилиндры содержат большее количество секторов, чем внутренние. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс, в зависимости от диска. Когда головка располагается над правильной
дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Дальше, когда сектор уже находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с для низкоскоростных дисков до 160 Мбайт/с для самых высокоскоростных.
Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента. Этот носитель часто используется для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения очень больших наборов данных. Для доступа к информации на ленте ее сначала нужно поместить в устройство для чтения магнитных лент — это может делать человек или робот (автоматическое управление лентами обычно используется при работе с огромными базами). Затем лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс может длиться минуты. Большой плюс лент заключается в том, что они крайне дешевы и мобильны. Это очень важно для резервных копий, которые нужно содержать отдельно, чтобы они сохранились после стихийных бедствий, например пожаров, наводнений, землетрясений и т. д.
Описанная нами иерархия памяти достаточно типична, но в некоторых вариантах могут присутствовать не все уровни или несколько другие их виды (например, оптический диск). В любом случае при движении по иерархии сверху вниз время произвольного доступа значительно увеличивается от устройства к устройству, вместимость растет эквивалентно времени доступа, а стоимость одного бита информации падает столь же быстрыми темпами. Поэтому вполне вероятно, что такая структура памяти будет популярна еще долгие годы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
