Архитектура компьютера

В предыдущем подразделе мы увидели, что короткие адреса препятствуют удачной дискретности памяти. В этом разделе мы рассмотрим компромиссы, связанные с кодами операций и адресами. Рассмотрим команду размером п + k бит с кодом операции в k бит и одним адресом в п бит. Такая команда допускает 2^k различных операций и 2^п адресуемых ячеек памяти. В качестве альтернативы те же п + k бит можно разбить на код операции в k – 1 бит и адрес в /2+1 бит. При этом будет либо в два раза меньше команд, но в два раза больше памяти, либо то же количество памяти, но дискретность вдвое выше. Код операции в k + 1 бит и адрес в п – 1 бит дает большее количество операций, но ценой этого является либо меньшее количество ячеек памяти, либо не очень удачная дискретность при том же объеме памяти. Наряду с подобными простыми компромиссами между битами кода операции и битами адреса существуют и более сложные. Обсуждаемый здесь механизм называется расширением кода операций.

Понятие расширения кода операций можно пояснить на примере. Рассмотрим машину, в которой длина команд составляет 16 бит, а длина адресов — 4 бита, как показано на рис. 5.8. Это вполне разумно для машины, содержащей 16 регистров (а следовательно, 4-разрядный адрес регистра), с которыми совершаются все арифметические операции. Один из возможных вариантов — включение в каждую команду 4-разрядного кода операции и трех адресов, что дает 16 трехадресных команд.
Читать дальше »

В качестве третьего примера мы традиционно рассматриваем микросхему 8051. В отличие от процессоров Pentium 4 (которые в основном используются в настольных компьютерах и серверных фермах) и UltraSPARC III (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 Intel выпустила

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), эта 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.
Читать дальше »

Спрос на компьютеры, работающие с все более и более высокой скоростью, не прекращается. Астрономы хотят выяснить, что произошло в первую микросекунду после большого взрыва, экономисты хотят смоделировать всю мировую экономику, подростки хотят играть в трехмерные интерактивные игры со своими виртуальными друзьями через Интернет. Быстродействие процессоров растет, но у них постоянно возникают проблемы со скоростью передачи информации, поскольку скорость распространения электромагнитных волн в медных проводах и света в оптико-волоконных кабелях по-прежнему остается равной 20 см/нс, независимо от того, насколько умны инженеры компании Intel. Кроме того, чем быстрее работает процессор, тем сильнее он нагревается, поэтому возникает задача защиты его от перегрева.

Параллелизм на уровне команд в определенной степени помогает, но конвейеры и суперскалярная архитектура обычно повышают скорость работы всего лишь в 5-10 раз. Чтобы увеличить производительность в 50, 100 и более раз, нужно создавать компьютеры с несколькими процессорами. Ознакомимся с устройством таких компьютеров.