Архитектура компьютера

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 »

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1. Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.

2. Меняет положение счетчика команд, который после этого указывает на следующую команду¹.

3. Определяет тип вызванной команды.

4. Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово.

5. Переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора².

6. Выполняет команду.

7. Переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка — декодирование – выполнение) является основой работы всех компьютеров.
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 »