Понятие архитектуры компьютера.
На сегодняшний день понятие архитектуры компьютеров разными авторами определяется по-разному. Этот термин часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается принципиальные особенности набора команд процессора данного компьютера (архитектуры CISC – Complete Instruction Set Computing; RISC – Reduced Instruction Set Computing; EPIC – Explicitly Parallel Instruction Computing). Поэтому рассмотрение архитектуры компьютера на этом уровне будет проведено при изучении дисциплины «Микропроцессорная техника».
В широком же смысле архитектура охватывает понятие организации системы, ее структуры и основных принципов функционирования. Термин «компьютерная архитектура» и «компьютерная организация» означает в сущности одно и то же. Поэтому, архитектуру компьютера можно определить как некоторое абстрактное, комплексное представление компьютера, которое отображает его структурную, схемотехническую и логическую организацию.
Архитектура компьютера главным образом отражает:
Общую структуру;
Принципы представления информации в компьютере;
Систему адресации и организацию памяти;
Систему команд и систему программирования;
Организацию вычислительного процесса;
Форматы адресов и данных;
Систему организации связи с периферийными устройствами;
Организацию общения пользователя с компьютером.
Поскольку компьютеры представляют собой весьма сложные устройства, то их изучение, как и их проектирование, целесообразно проводить на нескольких уровнях их системной организации.
Всего в классическом труде Э.Таненбаума «Архитектура компьютера» в современном компьютере выделяется 6 таких уровней (см. рис IV.1).
Нулевой или цифровой логический архитектурный уровень компьютера – это уровень его аппаратного обеспечения: структура и назначение его основных элементов, узлов и шин сопряжения.
Микроархитектурный уровень – это уровень, задачей которого является интерпретация команд второго уровня (уровня архитектуры команд). На этом уровне определяются принципы передачи информации по тракту данных, способы декодирования и реализация выполнения микрокоманд, их структура и порядок выполнения, приемы конвейеризации и прогнозирования ветвлений, переименование регистров, а также задаются способы кэширования информации.
Уровень архитектуры команд – это уровень, на котором определяются связи между программным и аппаратным обеспечением компьютера. Поскольку уровень команд является промежуточным звеном между аппаратным и программным обеспечением, он должен быть удобным и для разработчиков аппаратного обеспечения, и для составителей программного обеспечения. На этом уровне, как правило, определяются принципы организации так называемого «машинного языка», типы и форматы его команд,
способы адресации, и т.п. К этому же уровню относится организация системы прерывания программ и прямого доступа к памяти.
Уровень операционной системы – уровень, на котором осуществляется управление работой компьютера с помощью команд операционной системы, в состав которых, кроме полного набора команд, доступных для прикладных программистов, включаются также и системные вызовы. Уровень операционной системы всегда интерпретируется. Можно отметить три важных особенности уровня операционной системы.
Виртуальная память.
Файл-система ввода/вывода.
Многозадачная обработка.
Организация защиты.
Уровень языка ассемблера. Уровень языка ассемблера существенно отличается от трех предыдущих, поскольку он реализуется с помощью компиляции, а не с помощью интерпретации. Трансляция же команд с языка ассемблера на «машинные языки» используемые на более низких архитектурных уровнях осуществляется их интерпретацией. Целесообразность использования уровня языка ассемблера заключается, во-первых, в том, что профессиональный программист языка ассемблера может составить гораздо меньшую по размеру программу, которая будет работать гораздо быстрее, чем программа, написанная на языке высокого уровня. Для некоторых программ скорость и размер весьма важны. Многие встроенные прикладные программы, например программы в кредитных карточках, сотовых телефонах, драйверах устройств, а также процедуры BIOS разрабатываются именно на языке ассемблера.
Во-вторых, некоторым процедурам требуется полный доступ к аппаратному обеспечению, что обычно невозможно сделать на языке высокого уровня. В эту категорию попадают прерывания и обработчики прерываний в операционных системах, а также контроллеры устройств во встроенных системах, работающих в режиме реального времени.
И, наконец, языки высокого уровня, по крайней мере, в настоящее время, занимают самый верхний этаж в предлагаемой Таненбаумом архитектурной иерархии компьютеров.
Рис. IV.1 Символическое отображение архитектурных уровней
современного компьютера. Способ поддержки каждого уровня указан под
ним. В скобках указывается название поддерживающей программы.
В излагаемом курсе будут изложены основные понятия архитектуры современного компьютера, относящиеся к младшим трем уровням.