Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 72
Текст из файла (страница 72)
Когда верхнее слово выталкивается из стека и сохраняется в 1, стек снова становится пустым. О 1 2 3 4 8 8 7 О Л 8 9 10 11 12 13 14 16 Рис. 4.12. Состояние стека после выполнения каждой команды е программе, приведенной е листинге 4.2 Команда 5 (11.0А0) начинает оператор 1й Эта команда помещает 1 в стек.
Затем идет константа 3 (в команде 6). После сравнения стек снова становится пустым (7). Команда 8 является началом фрагмента е1хе. Он продолжается вплоть до команды 12, когда совершается переход к метке 1.2. Пример реализации микроархитектуры Мы подробно описали микро- и макроархитектуру. Осталось осуществить реализацию. Другими словами, нам предстоит узнать, что собой представляет и как работает программа уровня микроархитектуры, интерпретирующая микрокоманды.
Прежде чем это сделать, познакомимся с системой обозначений, которую мы будем использовать для описания. 288 Глава 4. Уровень микроархитектуры Микрокоманды и их запись В принципе, мы могли бы описать работу управляющей памяти с помощью двоичной системы счисления, по 36 бит в слове. Но гораздо удобнее ввести систему обозначений, с помощью которой можно передать суть рассматриваемых вопросов, и при этом не вдаваться в ненужные подробности. Важно понимать, что язык, который мы выбираем, призван проиллюстрировать основные принципы работы программы, а вовсе не предназначен для использования в новых проектах.
Если бы нашей целью было практическое применение языка, мы бы ввели совсем другую запись, чтобы максимально повысить гибкость программы. При этом была бы очень важна проблема выбора адресов, поскольку адреса в памяти неупорядочены. То, насколько эффективно будут выбраны адреса, определяется способностями разработчика. Поэтому мы введем простой символический язык, который полностью описывает каждую операцию, но без полного определения всех необходимых адресов.
Наша система обозначений показывает все действия, которые происходят на одной линии за один цикл. Теоретически для описания этих операций мы могли бы использовать язык высокого уровня, однако такой язык не позволяет разработчику получить полный контроль над циклами. Благодаря такому контролю можно проанализировать каждый цикл, разобраться во всех операциях и проверить их. Если целью разработки является повышение скорости и производительности, важен каждый цикл. При практической реализации для экономии циклов может использоваться множество различных приемов.
В подобной экономии есть большая выгода: если команду из четырех циклов сократить на 2 цикла, она будет выполняться в два раза быстрее, причем это повышение скорости будет достигаться при каждом обращении к этой команде. Один из возможных подходов — просто выдать список сигналов, которые должны активизироваться в каждом цикле.
Предположим, что в одном цикле мы хотим увеличить значение ЗР на единицу. Еще мы хотим инициировать операцию чтения, причем так, чтобы следующая команда находилась в ячейке 122 управляющей памяти. Тогда мы могли бы написать йеасйедпьег=5Р. АЕ0=1йС. И5Р. йеав. НЕХ1 А00йЕ55=122 Здесь И5Р значит «записать регистр ЗР». Эта запись полная, но она сложна для понимания. Вместо этого мы объединим указанные операции и передадим в записи результат действий: 5Р=5Р»1, ге Назовем наш микроассемблер высокого уровня МА).
(М1сго АззешЫу 1апяцаяе — микроассемблер). По-французски «ша1» означает «болезнь» — это то, что с вами случится, если вы будете писать слишком большие программы на этом языке. Язык МАЕ придуман исключительно для того, чтобы продемонстрировать основные характеристики микроархитектуры. Во время каждого цикла могут записываться любые регистры, но обычно записывается только один.
Значение только одного регистра может передаваться на шину В и в ЛЛУ. На шине А может быть +1, О, — 1 и регистр Н. Следовательно, для обозначения опреде- Пример реализации микроархитектуры 289 ленной операции мы можем использовать простой оператор присваивания, как в языке )ача. Например, чтобы копировать регистр БР в регистр МЕЖ, мы можем написать ИОй 5Р Чтобы показать, что мы используем какую-либо функцию АЛУ, мы можем написать, например, так: ИОН = Н + 5Р Эта строка означает, что значение регистра Н складывается со значением регистра ЯР и результат записывается в регистр МЕЖ, Операция сложения коммутативна (это значит, что порядок операндов не имеет значения), поэтому данное выше выражение можно записать в виде ИОЛ = 5Р + Н При этом порождается та же 36-разрядная микрокоманда, хотя, строго говоря, Н является левым операндом АЛУ.
Мы должны использовать только допустимые операции; они перечислены ниже (любую из перечисленных операций можно расширить, добавив символы 8, что означает сдвиг результата влево на 1 байт, например, часто используется операция Н = ИВй « 8): ОЕ5Т = Н ОЕ5Т 50ОЛСЕ ОЕ5Т " В ОЕ5Т = 500ЛСЕ ОЕ5Т = Н ~ 500йСЕ ОЕ5Т = Н + 50ОЛСЕ + 1 ОЕ5Т = Н ~ 1 ОЕ5Т = 500йСЕ + 1 ОЕ5Т " 50ОЛСЕ - Н ОЕ5Т = 50ОНСŠ— 1 ОЕ5Т = -Н ОЕ5Т = Н И 50ОЛСЕ ОЕ5Т Н ИЛИ 500йСЕ ОЕ5Т О ОЕ5Т 1 ОЕ5Т = -1 Здесь 500йСŠ— значение любого из регистров: МЕТК, РС, МВК, МВКЕТ, БР, ЕУ, СРР, ТОБ и ОРС; а МВКП означает МВК ЕТпз1япег), то есть значение регистра МВК без знака.
Все эти регистры могут выступать в качестве источников значений для АЛУ (они поступают в АЛУ через шину В). Сходным образом ОЕ5Т может обозначать любой из следующих регистров: МАК, МТЖ, РС, ЯР, ЕЛТ, СРР, ТОК, ОРС и Н; каждый из этих регистров может быть целевым для выходного сигнала АЛУ, который передается к регистрам по шине С. Многие, казалось бы разумные, утверждения недопустимы. Например, следующее выражение выглядит вполне корректно, но эту операцию нельзя выполнить в тракте данных, изображенном на рис. 4.5, за один цикл: ИОй 5Р + ИОй 290 Глава 4.
Уровень микроархитектуры Такое ограничение существует, поскольку для операции сложения (в отличие от увеличения или уменьшения на 1) один из операндов должен быть значением регистра Н. Точно так же могло бы пригодиться, например, такое выражение: Н = Н вЂ” Мой Однако оно недопустимо, поскольку единственным возможным источником вычитаемого является регистр Н.
В ассемблере не должно быть выражений, которые кажутся пригодными, но в действительности недопустимы. В нашей системе записи допускается использование нескольких операторов присваивания. Например, чтобы прибавить 1 к регистру ЯР и сохранить полученное значение в регистрах ЯР и М1Ж, нужно записать следующее: 5Р Мой - 5Р + 1 Для обозначения процессов считывания из памяти и записи в память слов по 4 байта мы будем вставлять в микрокоманду операторы гб и иг. Для вызова байта через однобайтный порт используется оператор Ре1сЬ. Операции присваивания и операции взаимодействия с памятью могут происходить в одном и том же цикле.
То, что происходит в одном цикле, записывается в одну строку. Чтобы избежать путаницы, напомним еще раз, что М1с-1 может обращаться к памяти двумя способами. При чтении и записи 4-байтных слов данных используются регистры МАК и М1Ж. Эти процессы показываются в микрокомандах операторами гй и иг соответственно. При чтении однобайтных кодов операций из потока команд используются регистры РС и МВК. В микрокоманде это показывается оператором Ре1сЬ. Оба типа операций взаимодействия с памятью могут происходить одновременно. Однако один и тот же регистр не может получать значение из памяти и тракта данных в одном и том же цикле.
Рассмотрим фрагмент программы: МАй = 5Р; г6 мэй - н В результате выполнения первой микрокоманды значение из памяти приписывается регистру М1Ж в конце второй микрокоманды. Однако вторая микро- команда в то же самое время приписывает другое значение регистру М(Ж. Эти две операции присваивания конфликтуют, поскольку результаты не определены. Помните, что в каждой микрокоманде должен быть явно указан адрес следующей микрокоманды.
Однако часто бывает так, что микрокоманда вызывается только одной микрокомандой, причем именно той, которая находится в предыдущей строке. Чтобы упростить работу программиста, микроассемблер обычно приписывает адрес каждой микрокоманде (порядок следования адресов может и не соответствовать последовательности микрокоманд в управляющей памяти) и заполняет поле ХЕХТ АО)ЖЕВБ, так что последовательность выполнения микрокоманд соответствует очередности строк микропрограммы. Однако программисту иногда нужно совершать переход, условный или безусловный. Запись безусловных переходов проста: йыо 1аэе1 Такая запись может включаться в любую микрокоманду.
В ней явным образом указывается имя следующей микрокоманды. Например, очень часто после- Пример реализации микроархитектуры 291 довательность микрокоманд заканчивается возвращением к первой команде основного цикла, поэтому последняя команда в каждой такой последовательности содержит запись дого Иа!п1 Отметим, что в тракте данных происходят обычные операции даже во время выполнения микрокоманд, которые содержат оператор доте. В любой микрокомаиде есть поле ХЕХТ АППКЕЯЯ.
Оператор до~о сообщает ассемблеру, что в это поле вместо адреса микрокоманды, записанной в следующей строке, нужно поместить особое значение. В принципе, каждая строка должна содержать запись доТо, но если нужный адрес — это адрес микрокоманды, записанной в следующей строке, доге для удобства можно опускать. Для условных переходов нам требуется другая запись.
Помните, что )АМХ и 0 АМХ используют биты Х и Х соответственно. Например, иногда нужно проверить, не равно ли нулю значение регистра. Для этого можно было бы пропустить это значение через АЛУ, сохранив его после этого в том же регистре. Тогда мы бы написали Т05 = Т05 Запись выглядит забавно, но выполняет необходимые действия (устанавливает триггер У, и записывает значение в регистре ТО8). В целях удобочитаемости микропрограммы мы расширили язык МАЕ, добавив два новых воображаемых регистра, Х и Х, которым можно присваивать значения.
Например: 2 Т05 Эта строка пропускает значение регистра ТОК через АЛУ, устанавливая триггер Х (и Х), но при этом не сохраняет значение ни в одном из регистров. Использование регистра Х или Х в качестве целевого показывает микроассемблеру, что нужно установить в 0 все биты поля С (см. рис, 4А). Тракт данных проходит обычный цикл, выполняются все обычные допустимые операции, но ни один из регистров не записывается. Не важно, какой регистр является целевым, Х или Х. Микрокоманды, которые при этом порождает микроассемблер, одинаковы. (Программисты, выбравшие не тот регистр, в наказание будут неделю работать на самом первом компьютере 1ВМ РС с частотой 4,77 МГц.) Чтобы микроассемблер установил бит)АМУ„нужно написать следующее: 1П71 до1о 01: е1 зе дато 02 Поскольку аппаратное обеспечение требует, чтобы 8 младших битов этих адресов совпадали, микроассемблер должен присвоить им такие адреса. С другой стороны, метка 1.2 может находиться в любом из младших 25б слов управляющей памяти, поэтому микроассемблер без труда найдет подходящую пару.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
