Архитектура компьютера

Архитектура SPARC была впервые введена в 1987 году компанией Sun Microsystems. Эта архитектура стала одной из первых RISC-архитектур промышленного назначения. Она была основана на исследовании, проведенном в Беркли в 80-е годы [161, 164]. Изначально архитектура SPARC была 32-разрядной, но UltraSPARC III — это 64-разрядная машина, основанная на архитектуре Version 9 SPARC, и именно ее мы будем описывать в этой главе. В целях согласованности с остальными частями книги мы будем называть данную систему UltraSPARC III, хотя на уровне архитектуры набора команд все машины UltraSPARC идентичны.

Структура памяти машины UltraSPARC III очень проста — линейный массив размером 2⁶⁴ 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 (2⁴⁴ байт у UltraSPARC III), но в будущем это число увеличится. Байты нумеруются слева направо, но можно перейти на нумерацию справа налево, установив один из битов во флаговом регистре.
Читать дальше »

Процессор Pentium 4 развивался на протяжении многих лет. Как отмечалось в главе 1, его история восходит к самым первым микропроцессорам. Основная архитектура команд обеспечивает выполнение программ, написанных для процессоров 8086 и 8088 (которые имеют одну и ту же архитектуру команд), и отчасти даже для 8080 — 8-разрядного процессора, который был популярен в 70-е годы. На 8080, в свою очередь, в значительной степени повлияли требования совместимости с процессором 8008, построенным на базе процессора 4004 (4-разрядной микросхемы, применявшейся еще в каменном веке).

С точки зрения программного обеспечения компьютеры 8086 и 8088 были 16-разрядными (хотя компьютер 8088 содержал 8-разрядную шину данных). Их последователь, 80286, также был 16-разрядным. Его главным преимуществом был больший объем адресного пространства, хотя очень немногие программы его использовали, поскольку оно состояло из 16 384 64-килобайтных сегментов, а не представляло собой линейную 2³⁰-байтную память.
Читать дальше »

Главная особенность уровня, который мы сейчас рассматриваем, — это набор машинных команд. Они управляют действиями машины. В этом наборе всегда в той или иной форме присутствуют команды LOAD и STORE, предназначенные для перемещения данных между памятью и регистрами, и команда MOVE, которая служит для копирования данных из одного регистра в другой. Также всегда присутствуют арифметические и логические команды, команды сравнения элементов данных и команды переходов в зависимости от результатов.

В этой главе мы обсудим три совершенно разные архитектуры команд: IA-32 компании Intel (она реализована в Pentium 4), Version 9 SPARC (она реализована в процессорах UltraSPARC) и 8051. Мы не преследуем цель дать исчерпывающее описание каждой из этих архитектур. Мы просто хотим продемонстрировать важные аспекты архитектуры команд и показать, как эти аспекты меняются от одной архитектуры к другой. Начнем с машины Pentium 4.

Во всех компьютерах имеются несколько регистров, доступных на уровне архитектуры набора команд. Они позволяют контролировать выполнение программы, хранить временные результаты, а также служат для некоторых других целей. Обычно регистры, доступные на уровне микроархитектуры, например TOS и MAR (см. рис. 4.1), на уровне архитектуры набора команд недоступны, однако некоторые регистры, например счетчик команд и указатель стека, доступны на обоих уровнях. В то же время регистры, доступные на уровне архитектуры набора команд, всегда доступны на уровне микроархитектуры, поскольку именно там они реализованы.

Регистры уровня архитектуры набора команд можно разделить на две категории: специальные регистры и регистры общего назначения. К специальным регистрам относятся счетчик команд и указатель стека, а также другие регистры, имеющие особые функции. Регистры общего назначения содержат ключевые локальные переменные и промежуточные результаты вычислений. Их основная функция состоит в том, чтобы обеспечить быстрый доступ к часто используемым данным (обычно без обращений к памяти). RISC-машины с высокоскоростными процессорами и (относительно) медленной памятью обычно содержат как минимум 32 регистра общего назначения, причем в новых процессорах количество регистров общего назначения постоянно растет.
Читать дальше »

Во всех компьютерах память разделена на ячейки, которые имеют последовательные адреса. В настоящее время наиболее распространенный размер ячейки — 3 бит, но раньше использовались ячейки от 1 до 60 бит. Ячейка из 3 бит называется байтом. Причиной применения именно 8-разрядных ячеек памяти является ASCII-символ, который занимает 7 бит, а вместе с битом четности — 8. Если в будущем будет доминировать кодировка UNICODE, то ячейки памяти, возможно, станут 16-разрядными. Вообще говоря, число 2⁴ лучше, чем 2³, поскольку 4 — степень двойки, а 3 — нет.

Байты обычно группируются в 4-байтные (32-разрядные) или 8-байтные (64-разрядные) слова с командами манипулирования целыми словами. Многие архитектуры требуют, чтобы слова были выровнены в своих естественных границах. Так, 4-байтное слово может начинаться с адреса 0, 4, 8 и т. д., но не с адреса 1 или 2. Точно так же слово из 8 байт может начинаться с адреса 0, 8 или 16, но не с адреса 4 или 6. Механизм размещения 8-байтных слов в памяти иллюстрирует рис. 5.2.
Читать дальше »

В принципе уровень архитектуры набора команд — это тот уровень, на котором компьютер представляется программисту, пишущему программы на машинном языке. Поскольку сейчас ни один нормальный программист таких программ не пишет, мы слегка переделали это определение: программа уровня архитектуры набора команд — это то, что получается в результате работы компилятора (в данный момент мы будем касаться системных вызовов и символического языка ассемблера). Чтобы получить программу уровня архитектуры набора команд, создатель компилятора должен знать, какая модель памяти используется в машине, какие регистры, типы данных и команды имеются в наличии, и т. д. Вся эта информация в совокупности и определяет уровень архитектуры набора команд.

В соответствии с этим определением вопросы о том, доступна ли микроархитектура программно, конвейеризирован ли компьютер, является ли он суперска-лярным и т. д., не относятся к уровню архитектуры набора команд, поскольку разработчик компилятора всего этого не видит. Однако это замечание не совсем справедливо, поскольку некоторые из этих характеристик влияют на производительность, а производительность, в свою очередь, — вполне доступный для разработчика компилятора показатель. Рассмотрим, например, суперскалярную уд-шину, которая в одном цикле может обрабатывать сдвоенные команды, причем такие, что одна команда целочисленная, а вторая с плавающей точкой. Если в коде, полученном в результате работы компилятора, целочисленные команды и кс-манды с плавающей точкой будут чередоваться, то производительность заметно повысится. Таким образом, детали суперскалярной операции доступны на уровне архитектуры набора команд, то есть границы между разными уровнями размыты.
Читать дальше »