Архитектура компьютера

Сегментацию можно реализовать одним из двух способов: подкачкой сегментов и разбиением памяти на страницы. При первом подходе в памяти находится некоторый набор сегментов. Если происходит обращение к сегменту, которого нет

в памяти, этот сегмент переносится в память. Если для него нет места в памяти, один или несколько сегментов сначала сбрасываются на диск (если на диске уже есть их копия, сегменты просто удаляются из памяти). В каком-то смысле подкачка сегментов очень похожа на вызов страниц по требованию: сегменты загружаются и удаляются только в случае необходимости.
Читать дальше »

До сих пор мы говорили об одномерной виртуальной памяти, в которой виртуальные адреса следуют один за другим от 0 до какого-то максимального адреса. Однако по многим причинам гораздо удобнее использовать два или несколько отдельных виртуальных адресных пространств. Например, компилятор может иметь несколько структур, которые создаются в процессе компиляции; такими структурами могут быть:

? символьная таблица с именами и атрибутами переменных;

? исходный текст для распечатки;

? таблица со всеми использующимися целочисленными константами и константами с плавающей точкой;

? дерево синтаксического разбора программы;

? стек, используемый для вызова процедур в компиляторе.

Каждая из первых четырех структур постоянно растет в процессе компиляции. Размер последней структуры меняется совершенно непредсказуемо. В одномерной памяти эти пять структур пришлось бы разместить в виртуальном адресном пространстве в виде смежных областей, как показано на рис. 6.6.
Читать дальше »

Если пользовательская программа и данные занимают ровно целое число страниц, то когда они время от времени загружаются в память, свободного места там не остается. В то же время, если они не занимают ровно целое число страниц, на последней странице останется неиспользованное пространство. Например, если программа и данные занимают 26 ООО байт на машине со страницами по 4096 байт, то первые 6 страниц будут заполнены целиком, что в сумме даст 6 х 4096 = 24 576 байт, а последняя страница будет содержать 26 ООО – 24576 = 1424 байта. Поскольку в каждой странице имеется пространство для 4096 байт, 2672 байта останутся свободными. Всякий раз, когда страница 7 будет оказываться в памяти, эти байты останутся неиспользуемыми, бесполезно занимая место в основной памяти. Эта проблема получила название внутренней фрагментации (поскольку неиспользуемое пространство является внутренним по отношению к странице).

Если размер страницы составляет п байт, то среднее неиспользуемое пространство последней страницы программы будет равно п/2 байт. Таким образом, чтобы свести к минимуму объем бесполезного пространства, страницы должны быть небольшими. Однако при маленьких страницах потребуется много страниц и большая таблица страниц. Если таблица страниц сохраняется аппаратно, то для хранения большой таблицы страниц нужно много регистров, что повышает стоимость компьютера. Кроме того, при запуске и остановке программы на загрузку и сохранение этих регистров потребуется больше времени.
Читать дальше »

В идеале, чтобы сократить количество ошибок отсутствия страниц, можно хранить в памяти набор страниц, которые постоянно используются программой (так называемое рабочее множество). Однако программисты обычно не знают,

какие страницы находятся в рабочем множестве, поэтому операционная система периодически должна показывать это множество. Если программа обращается к странице, которая отсутствует в основной памяти, ее нужно вызвать с диска. Однако чтобы освободить для нее место, на диск нужно отправить какую-нибудь другую страницу. Следовательно, нужен алгоритм, позволяющий определить, какую именно страницу необходимо удалить из памяти.
Читать дальше »

А теперь посмотрим, какое отношение язык Java имеет к IJVM. В листинге 4.1 представлен небольшой фрагмент программы на языке Java. Компилятор Java должен был бы переделать эту программу в программу на языке ассемблера IJVM, приведенную в листинге 4.2. Цифры с 1 по 15 в левой части листинга, а также комментарии после символов двойной косой черты (//) не являются частью самой программы. Они даны для наглядности и просто облегчают понимание. Затем ассемблер Java транслировал бы ее в программу в двоичном коде. Эта программа представлена в листинге 4.3. (В действительности результатом работы компилятора Java сразу является двоичный код.) В данном примере i — локальная переменная 1, j — локальная переменная 2, а к — локальная переменная 3.

Скомпилированная программа проста. Сначала j и к помещаются в стек, складываются, а результат сохраняется в i. Затем i и константа 3 помещаются в стек и сравниваются. Если они равны, то совершается условный переход к L1, где к получает значение 0. Если они не равны, то выполняется часть программы после команды IF_ICMPEQ. После этого осуществляется переход к L2, где объединяются части else и then.
Читать дальше »

Набор IJVM-команд приведен в табл. 4.2. Каждая команда состоит из кода операции и иногда из операнда (например, смещения адреса или константы). В первом столбце приводится шестнадцатеричный код команды. Во втором столбце дается мнемоника на языке ассемблера. В третьем столбце описывается назначение команды.

Команды нужны для того, чтобы помещать слова из различных источников в стек. Источники — это набор констант (LDC_W), фрейм локальных переменных (IL0AD) и сама команда (BIPUSH). Переменную можно также вытолкнуть из стека и сохранить во фрейме локальных переменных (ISTORE). Над двумя верхними словами стека можно совершать две арифметические (IADD и ISUB) и две логические операции (IAND и I0R). При выполнении любой арифметической или логической операции два слова выталкиваются из стека, а результат помещается обратно в стек. Существует 4 команды перехода: одна для безусловного перехода (GOTO), а три другие для условных переходов (IFEQ, IFLT и IFICMPEQ). Все эти команды изменяют значение PC на размер их смещения, который следует за кодом операции в команде. Операнд смещения состоит из 16 бит. Он прибавляется к адресу кода операции. Существуют также команды для перестановки двух верхних слов стека (SWAP), дублирования верхнего слова (DUP) и удаления верхнего слова (POP).
Читать дальше »

А теперь мы можем рассмотреть архитектуру IJVM. Она состоит из памяти, которую можно рассматривать либо как массив из 4 294 967 296 байт (4 Гбайт), либо как массив из 1 073 741 824 слов, каждое из которых содержит 4 байта. В отличие от большинства архитектур команд, виртуальная машина Java не выполняет обращений к памяти, видимых на уровне команд, но имеет несколько неявных адресов, которые составляют основу указателя. IJVM-команды могут обращаться к памяти только через эти указатели. Определены следующие области памяти:

? Набор констант. Эта область, недоступная для записи из IJVM-програм-мы, состоит из констант, строк и указателей на другие области памяти, на которые можно делать ссылку. Данная область загружается в момент загрузки программы в память и после этого не меняется. Имеется скрытый регистр СРР (Constant Pool Pointer — указатель набора констант), который содержит адрес первого слова набора констант.

? Фрейм локальных переменных. Эта область предназначена для хранения переменных во время выполнения процедуры. Она, как уже отмечалось, называется фреймом локальных переменных. В начале этого фрейма располагаются параметры (или аргументы) вызванной процедуры. Фрейм локальных переменных не включает в себя стек операндов. Он помещается отдельно. Исходя из соображений производительности, мы поместили стек операндов прямо над фреймом локальных переменных. Существует скрытый регистр, который содержит адрес первой переменной фрейма. Мы назовем этот регистр LV (Local Variable — локальная переменная). Параметры вызванной процедуры хранятся в начале фрейма локальных переменных.
Читать дальше »

Во всех языках программирования есть понятие процедур (методов), имеющих локальные переменные. Эти переменные доступны во время выполнения процедуры, но перестают быть доступными после ее окончания. Возникает вопрос: где должны храниться такие переменные?

К сожалению, предоставить каждой переменной абсолютный адрес в памяти невозможно. Проблема заключается в том, что процедура может вызывать себя сама. Мы рассмотрим такие рекурсивные процедуры в главе 5. А пока достаточно сказать, что если процедура вызывается дважды, то хранить ее переменные под конкретными адресами в памяти нельзя, поскольку второй вызов перемешается с первым.
Читать дальше »

Чтобы продолжить изучение нашего примера, введем уровень архитектуры набора команд (ISA), которые должна интерпретировать микропрограмма машины IJVM (см. рис. 4.5). Для удобства уровень архитектуры команд мы иногда будем называть макроархитектурой, чтобы противопоставить его микроархитектуре. Однако перед тем как приступить к описанию IJVM, мы немного отвлечемся.

До сих пор мы рассказывали об управлении трактом данных и не касались вопроса о том, какой именно сигнал управления и на каком цикле должен устанавливаться. Для этого существует контроллер последовательности, который отвечает за последовательность операций, необходимых для выполнения одной команды.

Контроллер последовательности в каждом цикле должен выдавать следующую информацию:

? состояние каждого сигнала управления в системе;

? адрес микрокоманды, которая будет выполняться следующей.

Рисунок 4.5 представляет собой подробную диаграмму полной микроархитектуры нашей машины, которую мы назвали Mic-1. Хотя на первый взгляд она может показаться внушительной, ее нужно подробно изучить. Если вы разберетесь во всех блоках и их связях, изображенных на этом рисунке, вам легче будет понять структуру уровня микроархитектуры. Диаграмма состоит из двух частей: тракта данных (слева), который мы уже подробно обсудили, и блока управления (справа), который мы рассмотрим сейчас.
Читать дальше »