9. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм
В самом начале курса было оговорено, что предметом нашего изучения является цифровое устройство переработки информации, построенное в соответствии с классической пятиблочной структурой фон Неймана, или, иными словами, – ЭВМ. Таким образом, речь шла только об ЭВМ, в которой информация перерабатывается в одном процессорном устройстве (центральном процессоре) последовательно, без распараллеливаниявычислительного процесса, которое имеет место вмногопроцессорных и многомашинныхвычислительных системах (о них речь пойдет в последних разделах настоящего курса). Отмечалось, что в процессе эволюции классическая структура ЭВМ претерпела некоторые изменения, в частности, изменилось устройство памяти, организация которого стала иерархической. Однако это далеко не все изменения, которые произошли с классической пятиблочной структурой ЭВМ и ее основными принципами функционирования, сформулированными фон Нейманом.
Ниже очень коротко рассматриваются некоторые элементы архитектуры современных ЭВМ четвертого поколения, которые выходят за рамки классических структур и принципов функционирования первых ЭВМ различных классов. Материал раздела, по возможности, иллюстрируется примерами построения упрощенных элементов вычислительных устройств на базе процессора I80386, структуры которых достаточно прозрачны.
9.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
Одним из эффективных средств совершенствования архитектуры современных ЭВМ является теговая организация памяти, при которой каждое хранящееся в памяти или регистре слово снабжаетсятегом. Тег определяет тип данных – целое число, ЧПЗ, десятичное число, адрес, строку символов, дескриптор и т.д. В поле тега обычно указывают не только тип, но и длину (формат) и некоторые другие его параметры. Теги формируются компилятором. Формат данных, хранимых в памяти, при этом имеет вид, изображенный на рис. 9.1.
Наличие тегов придает хранящимся в машине данным свойство самоопределяемости. Это принципиальная особенность в функционировании ЭВМ.
Следует отметить, что ЭВМ с теговой памятью выходят за рамки модели вычислительной машины фон Неймана именно в результате самоопределяемости данных. Классическая модель фон Неймана исходит из того, что тип (характер) данного, хранящегося в памяти, определяется только в контексте выполнения программы, а точнее, команды, использующей данное в качестве операнда. В обычных ЭВМ, соответствующих классической модели фон Неймана, тип данных-операндов и их формат задаются кодом операции команды, а в ряде случаев размер (формат) операндов определяется специальными полями команды.
Например, в IBM-360/370 команда десятичное сложениесамим своим кодом операции определяла, что адресуемые ею операнды являются десятичными числами. Специальные четырехразрядные поля в этой команде задавали число десятичных цифр в 1-м и 2-м операндах. Таким образом, в IBM-360/370 имелось 256 кодов только одной командыдесятичное сложение.
Теговая организация памяти позволяет достигнуть инвариантности команд относительно типов и форматов операндов, что приводит к значительному сокращению набора команд машины. Это упрощает и делает более регулярной структуру процессора. Кроме того, такая организация памяти дает еще ряд преимуществ, а именно:
облегчает работу программиста, в том числе при отладке программ;
сокращает затраты времени на компиляцию (отпадает необходимость выбора типа команды в зависимости от типа данных);
облегчает обнаружение ошибок, связанных с некорректным заданием типа данных (например, при попытке сложить адрес с ЧПЗ).
Теговая организация памяти способствует реализации принципа независимости программ от данных.
И, наконец, нечто неожиданное. Использование тегов приводит к экономии памяти, несмотря на удлинение формата данных. Это объясняется тем, что в программах обычных машин имеется большая информационная избыточность на задание типов и размеров операндов при их использовании несколькими командами.
К недостаткам такой организации памяти можно отнести некоторое замедление работы процессора из-за того, что установление соответствия типа команды типу данных в обычных ЭВМ выполняется на этапе компиляции, а при использовании тегов переносится на этап выполнения программы.
В архитектуре современных ЭВМ широко используются также дескрипторы– служебные слова, содержащие описания массивов данных и команд. Дескрипторы могут употребляться как в машинах с теговой организацией памяти (например, ЭВМ "Эльбрус"), так и без тегов (например, компьютеры фирмы IBM на процессорах I80286 и старше). В последнем случае достигается ограниченная самоопределяемость данных.
Дескриптор содержит сведения о размере массива данных, его местоположении (в ОП или ВП), адресе начала массива, типе данных, режиме защиты данных (например, запрет записи в ячейки массива) и некоторых других параметрах данных, которые позволяют упростить работу с массивами. Так, задание в дескрипторе размера массива позволяет контролировать выход за его границу при индексации его элементов.
Следует отметить, что, судя по приводимым в литературе сведениям, первоначально дескрипторы (как и теги) использовались главным образом в больших и супер-ЭВМ, имеющих в своем составе конвейерные и матричные процессоры и относящихся к классу вычислительных комплексов и систем (более подробно речь о них пойдет в последних разделах настоящего курса – "Многопроцессорные системы"). В качестве примера рассмотрим один из видов дескрипторов – дескриптор данных в машине B6700 фирмы Burroughs (рис. 9.2).
Дескриптор содержит специфический тег ТДс, указывающий, что данное слово является дескриптором определенного вида, группу указателей и два поля A и L/X. Поле A указывает адрес начала массива данных. В зависимости от значения указателя I дескриптор описывает массив данных (I = 0)– и в соответствующее поле помещается длина массива L, или описывает элемент массива (I = 1)– и тогда в поле находится индекс X. Этот индекс указывает смещение элемента относительно начала массива. Указатель P определяет, находится массив в оперативной памяти или ВП, т.е. его можно назвать "Указатель присутствия". В последнем случае (нахождение в ВП) поле A указывает местоположение массива во внешней памяти. Остальные указатели имеют следующий смысл:
D – одинарная или двойная точность представления данных;
T – описывается слово или строка;
R = 1 – данные можно только читать;
S – указывает на непрерывное или фрагментарное расположение массива в памяти;
C – определяет, является ли дескриптор копией другого дескриптора.
Процессоры фирмы Intel, начиная с модели I80386, снабжены средствами, позволяющими реализовать механизм разделения логического адресного пространства памяти на страницы (4 Кбайт) и сегменты разного размера (сегменты программ, данных, системные сегменты и т.д.). Более подробно этот вопрос обсуждается в п. 9.4. Все сегменты рассматриваются как массивы, и для их описания и адресации используются дескрипторы. Каждая задача может иметь системное и индивидуальное логическое адресное пространство. Эти пространства описываются соответственно глобальной (GDT) и локальной (LDT) таблицами дескрипторов сегментов, каждая из которых может содержать максимум 8192 дескриптора. На рис. 9.3 представлен формат дескрипторов сегмента программ и сегмента данных процессо- ра I80386.
Назначение полей дескриптора приведено на рис. 9.3, однако необходимо сделать некоторые пояснения:
"16-разрядный режим" – это режим полной эмуляции процессора I80286.
"Базовый адрес" – 32-битное поле (из трех фрагментов), определяющее положение сегмента в адресном пространстве 4 Гбайт.
"Предел" – 20-битное поле (из двух фрагментов), определяющее размер сегмента. В зависимости от значения бита гранулярности G предел вычисляется либо в байтах (G = 0), либо в страницах по 4 Кбайта (G = 1). В первом случае размер сегмента не превышает 1 Мбайт, во втором – может достигать 4 Гбайт.
Использование в архитектуре ЭВМ дескрипторов подразумевает, что обращение к информации в памяти производится через дескрипторы, которые при этом можно рассматривать как дальнейшее развитие аппарата косвенной адресации. Адресация информации в памяти может осуществляться с помощью цепочки дескрипторов. При этом реализуется многоступенчатая косвенная адресация. Более того, сложные многомерные массивы данных (таблицы и т.п.) эффективно описываются древовидными структурами дескрипторов. Это можно проиллюстрировать упрощенной схемой на рис. 9.4.
Термины "тег" и "дескриптор" достаточно широко используются в технической литературе при обсуждении вопросов организации ЭВМ и вычислительных процессов. Однако трактовка этих терминов во многих случаях достаточно неоднозначна, особенно в технических описаниях конкретных процессоров и ЭВМ различных производителей, поэтому необходимо всегда учитывать контекст, в котором используются указанные термины.