Т. Пратт, М. Зелковиц - Языки программирования - разработка и реализация (4-е издание_ 2002) (1160801), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Быстрые регистры состоят из слов (то есть из последовательно- 66 Глава 2, Влияние машинной архитектуры стей битов длиной в слово) и могут иметь подполя, к которым возможен прямой доступ. Содержимое регистра может представлять собой данные или адрес в оперативной памяти, по которому находятся зти данные или следующая подле каШая выполнению команда. Кзщ (быстродействуюшая буферная память) обычно расположен между быстрыми регистрами и оперативной памятью и является тем механизмом, который ускоряет доступ к данным, хранящимся в оперативной памяти. Внеигнне грийлы хранятся на жестком диске, на дискете или компакт-диске.
Они обычно состоят из набора записей, каждая из которых является последовательностью битов или байтов. Быстрые регистры Активные ~ В-- обрабатывающие элементы ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР Рис. 2.1. Организация традиционного компьютера Компьютер располагает некоторым набором встроенных типов данных, которыми можно манипулировать напрямую при помощи простейших операций. Обычный набор таких типов данных включает целые числа, вешественные числа одинарной точности (то есть представленные одним словом), известные как числа с плаваюп1ей точкой, символьные строки фиксированной длины и строки битов фиксированной длины (зта длина в данном случае равна количеству битов, которые помещаются в одно слово памяти). Помимо этих очевидных, аппаратно поддерживаемых элементов даняых, программы также представляют собой некоторую форму данных. Как и для других встроенных типов данных, в колгпьютере должно существовать встроенное представление для програмвв называемое представлением гга магвишгом языке ком- 2.1.
Структура и принципы работы компьютера Б7 пьютера. Как правило, представление программы на машинном языке состоит из последовательности ячеек памяти, в каждой из которых содержится одна или более команд. Каждая команда, в свою очередь, состоит из кода операции и набора указателей операндов. Операции. В компьютере должен присутствовать набор встроенных простейших операций, которым обычно сопоставлены коды операций, используемые в командах машинного языка.
В типичный набор входят простейшие операции, п роизводящие арифметические действия (сложение, вычитание, умножение и деление) для каждого из встроенных типов численных данных (целочисленных и вещественных); простейшие операции для проверки различных свойств элементов данных(например, для проверки на равенство нулю, определение знака); простейшие операции для доступа к разли п~ым частям элементов данных и их модификации (например, извлечение символа из содержащего его слова или его запись туда, извлечение адреса какого-либо операнда из некоторой команды или его запись туда); простейшие операции для управления устройствами ввода и вывода данных и, наконец, простейшие операции для управления последовательностью выполнения команд (например, безусловный переход к некоторой команде или возврат в некоторую точку программы).
По мере развития традиционных компьютеров (так называемых С15 С-компьютеров, или компьютеров с полным набором коианд — сошр1ех шэггпсбопз зег сошрпгегх) набор доступных команл все более расширялся и становился более мощным механизмом увеличения эффективной скорости работы компьютера. С другой стороны, было обнаружено, что, напротив, увеличить скорость работы компьютера можно и с меньшим числом простейших команд, так как в этом случае упрощается внутренняя логика центрального процессора(ЦП). Такие компьютеры называются К1ЯС-компьютерами (гедпсед шэггпсВоп зег сошрпсегз — компьютеры с сокраикнным наборам команд); мы обсудим их подробнее в разделе 11.3. Управление последовательностью действий.
При выполнении программы на машинном языке адрес очередной команды, которая должна выполняться, определяется содержимым специальногорегистрапрограммныкадресов(также известного под названием счетчика команд), в котором всегда содержится адрес следующей команды. Некоторые простейшие операции могут изменять содержимое этого регистра, чтобы передать управление в другую часть программы, но в действительности этот регистр используется только интерпретатором, который и управляет последовательностью выполнения операций.
Интерпретатор играет центральную роль в работе компьютера. Обычно он выполняет простой циклический алгоритм, схематично представленный на рис. 2.2. Во время выполнения каждого цикла интерпретатор получает адрес следующей команды из регистра программных адресов (и увеличивает значение этого регистра, присваивая ему адрес следующей команды), выбирает указанную команду из памяти, декоди руст ее, разбивая на код операции и набор указателей операндов, при необходимости выбирает из памяти указанные операнды и вызывает укаэанную операцию с указанными операндами в качестве аргументов. Простейшие операции могут изменять данные в памяти или в регистрах, обращаться к устройствам ввода-вывода и модифицировать последовательность выполнения операций путем изменения содержимого регистра программных адресов.
После выполнения 88 Глава 2. Влияние машинной архитектуры указанной операции интерпретатор просто возвращается к началу цикла и снова повторяет все описанные действия. Выбор следующей команды Расшифровка команды (определение операции и указателей операндов) Выбор указанных операндов Переход к указанной операции Выполнение элементарной операции 1 Выполнение элементарной операции 2 Выполнение элементарной операции п Выполнение операции асгеновв Останов Рис.
2.2. Алгоритм интерпретации и выполнения программы Доступ к данным. В любой машинной команде помимо кода операции должны быть указаны те операнды, к которылг эта операция будет применена. Обычно операнд содержится в оперативной памяти или в рабочем регистре. Компьютер должен обладать средствами для указания операндов и для извлечения значения операнда, находящегося по заданному указателелг адресу. Аналогично результат выполнения простейшей операции должен сохраняться в некотором определеннолг месте памяти. Описанные средства мы называем средствами управления доступом к данным.
Традиггиоиная схема заюгючается в том, что областям памяти ставятся в соответствие некоторые целочисленные значения, которые играют роль адресов этих областей, а специальные операции извлекают по заданному адресу содержимое соответствуюгцих областей памяти (или, наоборот, сохраняют в области памяти с заданным адресом некоторое новое значение). Аналогично регистры часто задаются простым целочисленным адресом. 2.1.
Структура и принципы работы компьютера 69 Управление памятью, Одним из ведущих принципов организации работы компьютера является сведение к минимуму времени бездействия каждой из его составных частей (оперативной памяти, центрального процессора, внешних устройств). Основная трудность, встречающаяся при попытке реализации этого принципа, заключается в том, что в ЦП время на выполнение операций обычно измеряется в наносекундах (например, на выполнение одной типичной операции в современном процессоре требуется 5-10 нс), получение данных из оперативной памяти занимает уже несколько микросекунд (что составляет примерно 50 — 70 нс), а обращение к внешним источникам требует затрат времени порядка 10-15 мс.
В итоге внутренняя скорость работы микропроцессора отличается от скорости доступа к дисковым данным в 1 000 000 раз, Для того чтобы подходящим образом сбалансировать эти скорости, используются различные средства управления памятью. В простейшем случае (например, в сравнительно дешевом персональном компьютере для домашнего использования) предусмотрены только самые простые средства управления памятью, встроенные в аппаратную часть компьютера. Программы и данные остаются в памяти в течение всего времени выполнения программы, и зачастую в определенный момент времени может выполняться только одна-единственная программа. Хотя процессору н приходятся простаивать в ожидании доступности неооходимых данных, оказывается более выгодно (в отношении цены) не использовать дополнительные аппаратные средства, ускоряющие вьшолненис программ.
В операционных системах часто используется мульгпипрограммировапие как способ решения проблемы, возникающей из-за различия между скоростью доступа к внешним данным и скоростью работы процессора. Этот способ заключается в том, что пока необходимые для выполнения определенной программы данные считываются с внешних устройств (иаприхгер, с диска), процессор переходит к выполнению какой-либо другой программы.
Для того чтобы в памяти могли сосуществовать несколько различных программ в одно и то же время, сейчас обычной практикой стало включение средств для страничной организации памяти (рай1пй) нли динамического перемещения програмл непосредственно в аппаратную часть. Алгоритмы страничной организации памяти позволяют предсказать с определенной вероятностью, какие программы и данные потребуются в ближайшее время, с тем чтобы аппаратные средства компьютера обеспечили процессору возможность максимально быстрого доступа к ним, Программы выполняются до тех пор, показ оперативной памяти имеется правильная страница с необходимыми командами или данными. Если же в какой-то момент возникает ошибка из-за отсутсттгя сгппапицы (райс бш!ц то есть требуемая команда или данные расположены на странице, отсутствующей в оперативной памяти), тогда операционная система извлечет ее из внешнего устройства хранения данных, в то время как процессор переключится на выполнение другой программы, для которой в оперативной памяти имеются необходимые данные и команды, Для решснпя проблемы различия между скоростью доступа к основной памяти в скоростью работы центрального процессора используется кзш — бьштродейотвугощая буферная память небольшого объема, которая является промежуточным звеном между оперативной памятью и центральным процессором (см.
рис. 2.1). Вме- 70 Глава 2. Влияние машинной архитектуры стимость кэша невелика; от 1 Кбайт (Кбайт — стандартное обозначение для 1024, или 2'", байт) до 512 Кбайт. В нем содержатся данные и инструкции, которые только что были использованы центральным процессором и, следовательно, с большой вероятностью понадобятся в ближайшем будущем. Данные, расположенные в кзше, незамедлительно становятся доступными для процессора, как только в ннх возникает необходилюсть; если данные в каше подвергаются изменениям в результате выполнения программы, то эти измененные данные записываются в оперативную память и скорость доступа к ннм уменьшается. Если данные с указанным адресом не содержатся в кэше, то на аппаратном уровне извлекается блок данных, содержащий данные с требуемым адресом вместе сданными, содержащимися в нескольких последующих адресах, которые с наибольшей вероятностью потребуются процессору в ближайшее время.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
