Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Программы на языке Я и либо интерпретируются программой- интерпретатором, работающей на машине более низкого уровня, либо транслируются на машинный язык машины более низкою уровня Уровень и Уровень 3 Программы на языке Я 2 либо интерпретируются программами- интерпретаторами, работающими на машине М 1 или М О, либо транслируются на Я 1 ипи Я О Уровень 2 Программы на языке Я 1 либо интерпретируются программой- интерпретатором, работающими на машине М О, либо транслируются на ЯО Уровень 1 Программы Я О непосредственно выполняются электронными схемами Уровень О Рис.
!.1.Многоуровневая машина Между языком и виртуальной машиной существует важная зависимость. Каждая машина поддерживает какой-то определенный машинный язык, состоящий из всех команд, которые эта машина может выполнять. В сущности, машина определяет язык. Сходным образом язык определяет машину, которая может 20 Глава 1. Введение выполнять все программы, написанные на этом языке.
Машину, определяемую тем или иным языком, очень сложно и дорого конструировать из электронных схем, однако представить себе такую машину мы можем. Компьютер для работы с машинным языком С или С++ был бы слишком сложным, но в принципе его можно разработать, учитывая высокий уровень современных технологий.
Однако существуют веские причины не создавать такой компьютер — это крайне неэффективное, по сравнению с другими, решение. Действительно, технология должна быть не только осуществимой, но и рациональной. Компьютер с и уровнями можно рассматривать как и разных виртуальных машин, у каждой из которых есть свой машинный язык. Термины «уровень» и «виртуальная машина» мы будем использовать как синонимы.
Только программы, написанные на Я О, могут выполняться компьютером без трансляции или интерпретации. Программы, написанные на Я 1, Я 2, ..., Я и, должны проходить через интерпретатор более низкого уровня или транслироваться на язык, соответствующий более низкому уровню. Человеку, который пишет программы для виртуальной машины уровня и, не обязательно знать о трансляторах и интерпретаторах более низких уровней. Машина выполнит эти программы, и не важно, будут они поэтапно выполняться интерпретатором или же их обработает сама машина. В обоих случаях результат один и тот же — это выполнение программы. Большинству программистов, использующих машину уровня и, интересен только самый верхний уровень, который меньше всего сходен с машинным языком.
Однако те, кто хочет понять, как в действительности работает компьютер, должны изучить все уровни. Также должны быть знакомы со всеми уровнями разработчики новых компьютеров или новых уровней (то есть новых виртуальных машин). Понятия и технические приемы разработки машин как системы уровней, а также подробное описание этих самых уровней, составляют главный предмет данной книги, Современные многоуровневые машины Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Сугцествуют машины даже с шестью уровнями (рис. 1.2). Уровень 0 — это аппаратное обеспечение машины. Электронные схемы на уровне 1 выполняют машинно-зависимые программы. Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рис. 1.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этой книге. Он называется уровнем физических устройств.
На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компьютеров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики. На самом нижнем уровне из тех, что мы будем изучать, а именно, на цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых вход)г1 (сигналов, представляющих О или 1).
Вентиль вычис- Многоуровневая компьютерная организация 21 ляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16, 32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела. Из вентилей также может состоять сам компъютер. Подробно вентили и цифровой логический уровень мы рассмотрим в главе 3.
Уровень б Уровень языка прикладных программистов Трансляция (компилятор) Уровень ассемблера Уровень 4 Трансляция(ассемблер) Уровень операционной системы Уровень 3 Частичная интерпретация (операционная система) Уровень 2 УРовень архитектуры набора команд Интерпретация (микропрограмма) или непосредственное выполнение Уровень микроархитектуры Уровень 1 Аппаратное обеспечение Цифровой логический уровень Уровень О Рис.
1.2. Шестиуровневый компьютер. Способ поддержки каждого уровня указан под ним, в скобках дано название соответствующего программного обеспечения Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ 1арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.
В первых трех изданиях книги мы назвали этот уровень «уровнем микропрограммирования», потому что раньше на нем почти всегда находился программный интерпретатор. Поскольку сейчас тракт данных обычно контролируется аппаратным обеспечением, мы изменили название, чтобы точнее отразить смысл. 22 Глава 1. Введение На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных.
Например, при выполнении команды А00 она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпретирующей команды уровня 2. Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку Х», «Принципы работы компьютера г'» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.
Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора. Следующий уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.
Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой.
Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы. Между уровнями 3 и 4 есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин.
Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи. Еще одно изменение, появившееся на уровне 4, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше обычно, хотя и не всегда, транслируются. Другое пгрличие между уровнями 1, 2, 3 и уровнями 4, 5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 — цифровые.
Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимаются компьютерами, но малопонятны для людей. Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку. Многоуровневая компьютерная организация 23 Уровень 4 представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером. Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня.
Наиболее известные среди них — С, С«-+, )ача, 1.1ЯР и Рго1оя. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Дача сначала транслируются на язык, напоминающий 1ЯА и называемый байт-кодом )ауа, который затем интерпретируется. В некоторых случаях уровень 5 состоит из интерпретатора для конкретной прикладной области, например символической логики.
Он предусматривает данные и операции для решения задач в этой области, выраженные при помощи специальной терминологии. Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для понимания. Набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с программными аспектами. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
