Э. Таненбаум - Архитектура компьютера (1127755), страница 96
Текст из файла (страница 96)
Структура памяти машины П)ггаБРАКС П1 очень проста — линейный массив размером 2гн байт. В настоящее время реализовать ее невозможно, поскольку память слишком велика (18 446 744 073 709 551 616 байт). Современные реализации имеют ограничение на размер адресного пространства, к которому они могут обращаться (2м байт у П)ггаБРАКС П1), но в будущем это число увеличится.
Байты нумеруются слева направо, но можно перейти на нумерацию справа налево, установив один из битов во флаговом регистре. Важно,что предельное число адресуемых байтов больше, чем требуется для реализации архитектуры команд, поскольку в будущем скорее всего понадобится увеличить объем памяти, к которой может обращаться процессор. Одна из самых серьезных проблем состоит в том, что архитектура команд ограничивает размер адресуемой памяти. Это — проявление глобальной информационной проблемы (имеющихся битов всегда не хватает), которая, вероятно, не разрешится Общий обзор уровня архитектуры набора команд 385 никогда.
Когда-нибудь наши внуки будут удивляться, как же могли работать компьютеры, содерткашие всего 32-разрядные адреса и 4 Гбайт памяти. Архитектура команд 5РАКС достаточно проста, хотя организация регистров была немного усложнена, чтобы сделать вызовы процедур более эффективными. Практика показывает, что организация регистров требует больших усилий, и, хотя обычно эти усилия того не стоят, правило совместимости не позволяет от этого отказаться. В системе П11гаЯРАКС И1 имеется две группы регистров: 32 64-разрядных регистра общего назначения и 32 регистра для команд с плавающей точкой. Регистры общего назначения называются КΠ— К31, но в определенных контекстах используются другие названия.
Варианты названий регистров и их функции приведены в табл. 5.1. Таблица 5.1. Регистры общего назначения в системе 1111гаЗРАНС Ш Регистр Другой вариант названия Назначение Аппаратный нуль. То, что сохранено в етом регистре, просто игнорируется йо 00 Н1-Н7 0 1-07 Содержат глобальные переменные Содержат параметры вызываемой процедуры Указатель стека Временный регистр йз — Н13 00 — 05 Н14 Н15 07 Содержат локальные переменные для текущей процедуры Н15-Н23 ЬΠ— Г7 Н24 — Н29 Ю-15 Содержат входные параметры Указатель на базу текущего стекового фрейма Содержит адрес возврата для текущей процедуры НЗО НЗ! 17 Все регистры общего назначения 64-разрядные. Все они, кроме К.О, который всегда нулевой, могут считываться и записываться при помощи различных команд загрузки и сохранения.
Назначение этих регистров, приведенное в табл. 5.1, отчасти определено по соглашению, отчасти зависит от используемого аппаратного обеспечения. Однако, вообще говоря, не стоит отклоняться от указанного назначения, если вы не являетесь крупным специалистом по компьютерам БРАКС. Программист должен быть уверен, что программа правильно обращается к регистрам и выполняет с ними допустимые арифметические действия.
Например, очень легко загрузить числа с плавающей точкой в регистры общего назначения, а затем произвести над ними целочисленное сложение — операцию, результатом которой будет полнейшая чепуха, но которую центральный процессор обязательно выполнит, если того потребует программа. Глобальные переменные используются для хранения констант, переменных и указателей, которые нужны во всех процедурах, хотя при необходимости они могут загружаться и перезагружаться при входе в процедуру и при выходе из процедуры.
Регистры 1х и Ох используются для передачи параметров процедурам, чтобы избежать обращений к памяти. Далее мы расскажем, как это происходит. 386 Глава 5. Уровень архитектуры набора команд но Ит но Нт л и а Нт Нт Нт УУРыт Нта н14 Нта Нгв екрытие НЗ1 суу меньшаетсп при вызове в этом аправпении нгз Я29 нзо НЗ1 Рис. 6.4. Регистровые окна системы О!тгаЗРАНС Ш В действительности число регистров общего назначения процессора П1сгаЯРАКС 1П превышает 32, но только 32 из них всегда доступны для про- Специальные регистры используются для особых целей. Регистры РР и ЯР ограничивают текущий фрейм. Первый указывает на базу текущего фрейма и применяется для обращения к локальным переменным, точно так же, как ЕЧ на рис.
4.9. Второй указывает на текущую вершину стека и изменяется, когда слова помещаются в стек или выталкиваются оттуда. Значение регистра РР изменяется только при вызове и завершении процедуры. Третий специальный регистр — К31. Он содержит адрес возврата для текущей процедуры. Общий обзор уровня архитектуры набора команд 387 грамм. Эта особенность, называемая регистровыми окнами, призвана повысить эффективность вызова процедур. Систему регистровых окон иллюстрирует рис.
5.4. Основная идея — имитировать стек, используя при этом регистры. То есть существуют несколько наборов регистров, точно так же, как и несколько фреймов в стеке, из них ровно 32 регистра общего назначения доступны всегда. Регистр СЖР (Сцггепг %1поотт Рошгег — указатель текущего окна) контролирует, какой набор регистров используется в данный момент.
Команда вызова процедуры скрывает старый набор регистров и путем изменения СЪЧР предоставляет новый набор, который может использовать вызванная процедура. Однако некоторые регистры переходят от вызывающей процедуры к вызванной, что обеспечивает эффективную передачу параметров между процедурами. Для этого часть регистров переименовываются: после вызова процедуры прежние выходные регистры с К8 по К15 остаются доступными, но превращаются во входные регистры с К24 по К31.
Восемь глобальных регистров не меняются. Это всегда один и тот же набор регистров. В отличие от памяти, которая квазибесконечна (по крайней мере, в отношении стеков), при слишком большой глубине вложенности процедур машина начинает работать вне регистровых окон. В этот момент самый старый набор регистров сбрасывается в память, чтобы освободить новый набор. Точно так же после многократных выходов из процедур может понадобиться вызвать набор регистров из памяти.
В целом такая сложность является большой помехой и, вообще говоря, не очень полезна. Подобная система помогает только при не очень большой глубине вложенности процедур. В системе П(ггаЯРАКС 1П есть также 32 регистра для обработки команд с плавающей точкой, которые могут содержать либо 32-разрядные (одинарная точность), либо 64-разрядные (двойная точность) значения.
Можно также использовать пары этих регистров, чтобы поддерживать 128-разрядные значения. Архитектура 1Лгга8РАКС П вЂ” архитектура загрузки и сохранения. Это означает, что единственные команды, которые непосредственно обращаются к памяти, — это ЕОАО (загрузка) и 5ТОкЕ (сохранение), обеспечивающие перемещение данных между регистрами и памятью. Все операнды для команд арифметических и логических операций должны извлекаться из регистров или предоставляться самой командой (без обращений к памяти), а все результаты должны сохраняться в регистрах (но не в памяти). Обзор уровня архитектуры набора команд микросхемы 8051 В качестве третьего примера мы традиционно рассматриваем микросхему 8051.
В отличие от процессоров Репйпш 4 (которые в основном используются в настольных компьютерах и серверных фермах) и П1гга8РАКС 1П (которые по большей части устанавливаются в крупных серверных, особенно мультипроцессорных, системах), микросхемы 8051 обычно встраиваются в бытовые устройства (от уличных светофоров до будильников) для обработки сигналов от кнопок, световых индикаторов и других элементов пользовательского интерфейса. История этого процессора довольно проста.
Когда в 1974 году компания 1пге1 выпустила 388 Глава 5. Уровень архитектуры набора команд микросхему 8080, успех был ошеломляющим. Производители принялись встраивать 8080 в электронные устройства, и с учетом этой тенденции через некоторое время было решено сконструировать микросхему, на которой можно было бы разместить не только процессор, но также модули памяти и контроллеры ввода-вывода. В результате появилась модель 8048, а за ней — 8051. Несмотря на почтенный возраст (а может быть, и благодаря ему), зта микросхема до сих пор пользуется обширным спросом, что объясняется в основном крайне низкой стоимостью, которая во встроенных системах является решающим фактором.
В данном подразделе представлена краткая техническая характеристика 8051 и родственных микросхем. 8051 умеет работать в одном-единственном режиме; никаких аппаратных средств защиты в этой микросхеме не предусмотрено. Они и не нужны — ведь 8051 никогда не выполняет одновременно больше одной программы. Модель памяти невероятно проста.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
