2.3. Виртуальная память

Современные процессоры обеспечивают управление виртуальной памятью. Виртуальным называется ресурс, который пользовательской программе представляется обладающим свойствами, отличными от тех, которые он в действительности имеет. В случае виртуальной памяти пользовательской программе предоставляется возможность работать с адресным пространством, существенно превышающим объем реальной адресуемой памяти. Виртуальная память реализуется «совместными усилиями» аппаратных средств и ОС. При этом содержимое виртуальной памяти распределяется между внешней памятью (например, магнитными дисками) и RAM. В последней находится только часть содержимого виртуальной памяти, используемой в данный момент процессором. Если запрашиваемой области виртуальной памяти в данный момент в RAM нет, то осуществляется подкачка (своппинг) из внешней памяти с возможной выгрузкой в нее части содержимого RAM. Обо всем этом пользовательская программа ничего не «знает» (с точки зрения программиста, виртуальная память существует в «действительности»). Такая организация памяти позволяет существенно ослабить требования к размеру программы и области ее данных, которые должны помещаться в RAM. Обмен между RAM и дисковой памятью может осуществляться страницами (областями фиксированного размера) или сегментами (областями переменной длины).

Средства защиты памяти позволяют предотвратить некорректное вмешательство пользовательской программы в области RAM, занятые другими программами. Эти средства, наряду с другими, являются крайне желательными в случаях, когда в RAM требуется хранить одновременно несколько программ.

2.4. Процессоры cisc и risc

В соответствии с составом системы команд различают:

• CPU с CISC-архитектурой (CISC - complex instruction set computer - компьютер с полным набором команд);

• CPU с RISC-архитектурой (RISC - reduced instruction set computer - компьютер с сокращенным набором команд).

CPU первого типа являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, пересылки и ввода-вывода данных. При считывании из операнда кода операции процессор обращается в ПЗУ микрокоманд и получает набор микроинструкций, реализующий алгоритм выполнения данной команды.

Такие CPU способны реализовывать любой алгоритм, который предварительно кодируется в системе команд данного CPU. Большинство универсальных CPU аппаратно поддерживают только целочисленную арифметику. Арифметика же с плавающей точкой реализуется программно во внутренних сопроцессорах. Сопроцессор расширяет набор команд ЭВМ. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он передает управление сопроцессору с целью ее выполнения.

Формально к этому классу относятся в большей или меньшей степени все нынешние Athlon, Pentium и прочие процессоры для IBM PC-совместимых компьютеров. В большей или меньшей потому, что те или иные заимствования идей и методов RISC имеются практически в каждом современном чипе.

Из названия RISC следует, что основу архитектуры составляет сокращенный набор команд. Сокращенный - в данном контексте означает также упрощенный для достижения максимальной производительности. Команды в архитектуре RISC имеют фиксированную и небольшую длину, они не нуждаются в интерпретации. С другой стороны, RISC-процессоры обладают значительным числом регистров, что позволяет хранить большое число данных на кристалле процессора и упрощает работу компилятора по распределению переменных по регистрам. Использование трехадресных команд упрощает их дешифрацию и дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без перезагрузки.

По мере развития архитектуры RISC появлялись все новые возможности наращивания производительности. Ключевыми из них являются суперскалярная (многоконвейерная) обработка, внеочередное выполнение команд, появление смешанных или групповых команд для выполнения часто повторяющихся последовательностей. Однако RISC-процессоры не являются суперскалярными в полном смысле слова, и реализация параллельных вычислений в рамках этой архитектуры достаточно сильно ограничена. Еще одним фактором, сдерживающим стремительный рост производительности процессоров на основе архитектуры RISC, является проблема условных переходов. Проблема характерна для любой архитектуры, поскольку условные переходы значительно тормозят работу процессора. Однако бороться с ними в случае архитектуры RISC особенно сложно, ввиду ограниченного набора инструкций – меньшее число команд ведет к росту числа ветвлений.