Архитектура компьютера

Pentium 4 поддерживает двоичные целые числа со знаком, целые числа без знака, числа двоично-десятичной системы счисления и числа с плавающей точкой по стандарту IEEE 754 (табл. 5.2). Эта машина является 8/16-разрядной и оперирует целыми числами такой же длины. Она поддерживает многочисленные арифметические команды, булевы операции и операции сравнения. Операнды не обязательно должны быть выровнены в памяти, но если адреса слов кратны значению 4 байта, имеет место более высокая производительность.
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 »

UltraSPARC III — это 64-разрядная машина, которая поддерживает виртуальную память со страничной организацией и с 64-разрядными виртуальными адресами. Тем не менее по разным причинам программы не могут использовать 64-разрядное виртуальное адресное пространство целиком. Поддерживается только 44 бита, поэтому программы не могут превышать 1,8 х 10¹³ байт. Доступная виртуальная память делится на 2 зоны по 2⁴³ байт каждая, одна из которых находится в верхней части виртуального адресного пространства, другая — в нижней. Между ними находится свободная область, адреса которой не используются. Попытка обратиться к ним вызовет ошибку отсутствия страницы.

Максимальная физическая память компьютера UltraSPARC III составляет 2⁴¹ байт (2200 Гбайт). Поддерживается 4 размера страниц: 8, 64 и 512 Кбайт, а также 4 Мбайт. Механизм отображения этих страниц показан на рис. 6.15.
Читать дальше »

Pentium 4 имеет сложную систему виртуальной памяти, которая поддерживает вызов страниц по требованию, чистую сегментацию и сегментацию с разбиением на страницы. Виртуальная память состоит из двух таблиц: LDT (Local Descriptor Table — локальная таблица дескрипторов) и GDT (Global Descriptor Table — глобальная таблица дескрипторов). Каждая программа имеет собственную локальную таблицу дескрипторов, а единственная глобальная таблица дескрипторов разделяется всеми программами компьютера. Локальная таблица дескрипторов описывает локальные сегменты каждой программы (ее код, данные, стек и т. д.),

а глобальная таблица дескрипторов — системные сегменты, в том числе самой операционной системы.

Как уже отмечалось в главе 5, чтобы получить доступ к сегменту, Pentium 4 сначала загружает селектор сегмента в один из сегментных регистров. Во время выполнения программы регистр CS содержит селектор сегмента кода, DS — селектор сегмента данных и т. д. Каждый селектор представляет собой 16-разрядное число (рис. 6.10).
Читать дальше »

Разобравшись с теорией многопоточности, рассмотрим практический пример — Pentium 4. Уже на этапе разработки этого процессора инженеры Intel продолжали работу над повышением его быстродействия без внесения изменений в программный интерфейс. Рассматривалось пять простейших способов:

1. Повышение тактовой частоты.

2. Размещение на одной микросхеме двух процессоров.

3. Введение новых функциональных блоков.

4. Удлинение конвейера.

5. Использование многопоточности.

Самый очевидный способ повышения быстродействия заключается в том, чтобы повысить тактовую частоту, не меняя другие параметры. Как правило, каждая последующая модель процессора имеет несколько более высокую тактовую частоту, чем предыдущая. К сожалению, при прямолинейном повышении тактовой частоты разработчики сталкиваются с двумя проблемами: увеличением энергопотребления (что актуально для портативных компьютеров и других вычислительных устройств, работающих на аккумуляторах) и перегревом (что требует создания более эффективных теплоотводов).
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 »

В первых компьютерах память была очень мала по объему и к тому же дорого стоила. IBM-650, ведущий компьютер того времени (конец 50-х годов), содержал всего 2000 слов памяти. Один из первых 60 компиляторов ALGOL был написан для компьютера с объемом памяти всего 1024 слова. Древняя система с разделением времени прекрасно работала на компьютере PDP-1, общий объем памяти которого составлял всего 4096 18-разрядных слов для операционной системы и пользовательских программ. В те времена программисты тратили очень много времени, пытаясь вместить свои программы в крошечную память. Часто приходилось использовать более медленный алгоритм только потому, что более быстрый не удавалось разместить в памяти компьютера.
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 »