Архитектура компьютера

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 »

Тракт данных — это часть центрального процессора, состоящая из АЛУ (арифметико-логического устройства), его входов и выходов. Тракт данных нашей микроархитектуры показан на рис. 4.1. Хотя этот тракт данных и был оптимизирован для интерпретации IJVM-программ, он схож с трактами данных большинства компьютеров. Тракт содержит ряд 32-разрядных регистров, которым мы приписали символические названия (например, PC, SP, MDR). Хотя некоторые из этих названий нам знакомы, важно понимать, что эти регистры доступны только на уровне микроархитектуры (для микропрограммы). Им даны такие названия, поскольку они обычно содержат значения, соответствующие переменным с аналогичными названиями на уровне архитектуры команд. Содержание большинства регистров передается на шину В. Выходной сигнал АЛУ управляет схемой сдвига и далее шиной С. Значение с шины С может записываться в один или несколько регистров одновременно. Шину А мы введем позже, а пока представим, что ее нет.
Читать дальше »

В идеале неплохо было бы сначала описать общие принципы разработки уровня микроархитектуры, но, к сожалению, таких общих принципов не существует. Каждая разработка индивидуальна. По этой причине мы просто подробно рассмотрим конкретный пример. В качестве примера мы выбрали подмножество виртуальной машины Java. Это подмножество содержит только целочисленные команды, поэтому мы назвали его IJVM (Integer Java Virtual Machine — виртуальная машина Java для целых). Виртуальную машину в целом (JVM) мы рассмотрим в главе 5.

Начнем мы с описания микроархитектуры, на базе которой воплотим IJVM. IJVM содержит несколько довольно сложных команд. Как уже отмечалось в главе 1, подобные архитектуры часто реализуются путем микропрограммирования. Хотя структура IJVM не слишком сложная, она может стать хорошей отправной точкой при описании основных принципов обработки команд и последовательности их выполнения.
Читать дальше »

Внутреннее устройство тракта данных типичного фон-неймановского процессора иллюстрирует рис. 2.2. Тракт данных состоит из регистров (обычно от 1 до 32), арифметико-логического устройства (АЛУ) и нескольких соединительных шин. Содержимое регистров поступает во входные регистры АЛУ, которые на рис. 2.2 обозначены буквами А и В. В них находятся входные данные АЛУ, пока АЛУ производит вычисления. Тракт данных — важная составная часть всех компьютеров, и мы обсудим его очень подробно.

АЛУ выполняет сложение, вычитание и другие простые операции над входными данными и помещает результат в выходной регистр. Содержимое этого выходного регистра может записываться обратно в один из регистров или сохранятся в памяти, если это необходимо. Рисунок 2.2 иллюстрирует операцию сложения. Отметим, что входные и выходные регистры есть не у всех компьютеров.
Читать дальше »

На рис. 2.1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.На рис. 2.1 показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор — это мозг компьютера. Его задача — выполнять программы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, определяет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым передаются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (связывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.
Читать дальше »

Цифровая схема — это схема, в которой есть только два логических значения. обычно сигнал от 0 до 1 В представляет одно значение (например, 0), а сигнал от 2 до 5 В — другое значение (например, 1). Напряжение за пределами указанных величин недопустимо. Крошечные электронные устройства, которые называются вентилями, позволяют получать различные функции от этих двузначных сигналов. Вентили лежат в основе аппаратного обеспечения, на котором строятся все цифровые компьютеры.

Описание принципов работы вентилей не является темой этой книги, поскольку относится к уровню физических устройств, который находится ниже уровня 0. Тем не менее мы очень кратко коснемся основного принципа, который не так уж и сложен. Вся современная цифровая логика основывается на том, что транзистор может работать как очень быстрый бинарный переключатель. На рис. 3.1, а изображен биполярный транзистор, встроенный в простую схему. Транзистор имеет три соединения с внешним миром: коллектор, базу и эмиттер Если входное напряжение Vin ниже определенного критического значения, транзистор выключается и действует как очень большое сопротивление. Это приводит к выходному сигналу Vout, близкому к Vcc (напряжению, подаваемому извне), — для данного типа транзистора это обычно +5 В. Если Vin превышает критическое значение, транзистор включается и действует как проводник, вызывая заземление сигнала Vout (по соглашению — это О В).
Читать дальше »

Чтобы описать схемы, получаемые сочетанием различных вентилей, нужен особый тип алгебры, в которой все переменные и функции могут принимать только два значения: 0 и 1. Такая алгебра называется булевой. Она названа в честь английского математика Джорджа Буля (1815-1864). На самом деле в данном случае мы говорим об особом типе булевой алгебры, а именно — об алгебре релейных схем, но термин «булева алгебра» очень часто используется в значении «алгебра релейных схем», поэтому мы не будем их различать.

Как и в обычной алгебре (то есть в той, которую изучают в школе), в булевой алгебре есть свои функции. Булева функция на входе получает одну или несколько переменных и выдает результат, который зависит только от значений этих переменных. Можно определить простую функцию /, сказав, что f(A) = 1. если А = 0, и f(A) = 0, если А = 1. Такая функция будет функцией НЕ (см. рис. 3.2, а).
Читать дальше »