- •В. Г. Баула Введение в архитектуру эвм и системы программирования
- •Предисловие
- •1. Понятие об архитектуре эвм
- •2. Машина Фон Неймана
- •2.1. Память
- •2.2. Устройство Управления
- •2.3. Арифметико–Логическое Устройство
- •2.4. Взаимодействие уу и алу
- •3. Учебная машина
- •3.1. Схема выполнения команд
- •3.2. Примеры программ для учебной машины.
- •3.2.1. Пример 1. Оператор присваивания.
- •3.2.2. Пример 2. Условный оператор.
- •3.2.3. Пример 3. Реализация цикла.
- •3.2.4. Пример 4. Работа с массивами.
- •3.3. Формальное описание учебной машины
- •4. Введение в архитектуру эвм
- •4.1. Адресность эвм
- •4.2. Сравнительный анализ эвм различной адресности
- •4.3. Дробно-адресная архитектура
- •4.4. Способы адресации
- •4.5. Многообразие форматов данных
- •4.6. Форматы команд
- •4.7. Базирование адресов
- •5. Понятие семейства эвм
- •6. Архитектура младшей модели семейства Intel
- •6.1. Память
- •6.2. Форматы данных
- •6.3. Вещественные числа
- •6.4. Целые числа
- •6.5. Сегментация памяти
- •6.6. Мнемонические обозначения регистров
- •6.7. Структура команд
- •6.8. Команды языка машины
- •6.8.1. Команды пересылки
- •6.8.2. Арифметические команды
- •7. Язык Ассемблера
- •7.1. Понятие о языке Ассемблера
- •7.2. Применение языка Ассемблера
- •7.3. Классификация предложений языка Ассемблер
- •7.4. Пример полной программы на Ассемблере
- •7.5. Переходы
- •7.6. Команды переходов
- •7.6.1. Команды безусловного перехода
- •7.6.2. Команды условного перехода
- •7.6.3. Команды цикла
- •7.7. Работа со стеком
- •7.8. Команды вызова процедуры и возврата из процедуры
- •7.9. Программирование процедур на Ассемблере
- •7.9.1. Стандартные соглашения о связях
- •8. Система прерываний.
- •9. Дополнительные возможности Ассемблера.
- •9.1. Строковые команды.
- •9.2. Логические команды.
- •9.3. Команды сдвига.
- •10. Модульное программирование
- •10.1. Модульное программирование на Ассемблере.
- •10.2. Схема работы редактора внешних связей.
- •10.3. Схема работы статического загрузчика.
- •10.4. Схема работы динамического загрузчика.
- •11. Понятие о системе программирования.
- •11.1. Компоненты системы программирования.
- •11.2. Характеристики исполняемых модулей.
- •11.2.1. Перемещаемые модули.
- •11.2.2. Повторно-выполняемые модули.
- •11.2.3. Повторно-входимые (реентерабельные) модули.
- •12. Макросредства языка Ассемблер.
- •12.1. Сравнение процедур и макроопределений.
- •13. Схема работы транслятора с языка Ассемблера.
- •14. Понятие о мультипрограммном режиме работы.
- •14.1. Требования к аппаратуре для обеспечения возможности работы в мультипрограммном режиме.
- •14.1.1. Система прерываний.
- •14.1.2. Механизм защиты памяти.
- •14.1.3. Аппарат привилегированных команд.
- •14.1.4. Таймер.
- •15. Архитектурные особенности современных эвм.
- •15.1. Конвейерные эвм.
- •15.2. Эвм различной архитектуры.
- •15.2.1. Архитектура эвм с общей шиной.
- •15.2.2. Достоинства и недостатки архитектуры с общей шиной.
- •15.2.3. Архитектура эвм с каналами ввода/вывода.
- •15.3. Уровни параллелизма.
- •Список литературы.
14.1.4. Таймер.
Встроенные в компьютер электронные часы (таймер) появились ещё до возникновения мультипрограммного режима работы. Тем не менее, легко понять, что без таймера мультипрограммный режим невозможен. Действительно, это единственное внешнее устройство, которое гарантированно и периодически посылает центральному процессору сигналы прерываний. Без таких сигналов некоторые программы могли бы войти в выполнение бесконечного цикла (как говорят программисты – зациклиться), и ничто не могло бы вывести компьютер из этого состояния.
Итак, мы рассмотрели аппаратные средства, необходимые для обеспечения мультипрограммного режима работы ЭВМ. Остальные аппаратные возможности ЭВМ, которые часто называют студенты при ответе на этот вопрос (такие, как большая оперативная память, высокое быстродействие центрального процессора и другие) являются, конечно, желательными, но не необходимыми.
Разумеется, кроме перечисленных аппаратных средств, для обеспечения мультипрограммной работы совершенно необходимы и специальные программные средства, прежде всего операционная система, поддерживающая режим мультипрограммной работы. Такая операционная система является примерно на порядок более сложной, чем её предшественницы – операционные системы, не поддерживающие мультипрограммный режим работы. Всё это, однако, тема Вашего следующего семестра, а мы продолжаем изучать архитектуру современных ЭВМ.
15. Архитектурные особенности современных эвм.
Исследуем сейчас следующий вопрос: оценим скорость работы различных устройств ЭВМ. Оперативная память современных ЭВМ способна читать и записывать данные примерно каждые 10 наносекунд (нс), 1 нс = 10-9 сек., а центральный процессор может выполнить команду примерно за 1–2 нс. После некоторого размышления становится понятным, что "что-то здесь не так".
Действительно, рассмотрим, например, команду add ax,X . Для выполнения этой команды центральный процессор должен сначала считать из оперативной памяти саму команду (это 4 байта), затем операнд X (это ещё 2 байта), потом произвести операцию сложения. Таким образом, центральный процессор потратит на выполнение этой команды 6*10+2=62 нс. Спрашивается, зачем делать центральный процессор таким быстрым, если всё равно 97% своего времени он будет ждать, пока команды и данные не будут считаны из оперативной памяти на регистры? Налицо явное несоответствие в скорости работы оперативной памяти и центрального процессора ЭВМ.
Данная проблема на современных ЭВМ решается несколькими способами, которые мы сейчас рассмотрим. Сначала оперативную память стали делать таким образом, чтобы за одно обращение к ней она выдавала не по одному байту, а по несколько байт сразу. Для этого оперативную память разбивают на блоки (обычно называемые банками памяти), которые могут работать параллельно. Этот приём называют расслоением памяти. Например, если память разбита на 8 блоков, то за одно обращение к ней можно сразу считать 8 байт, при этом байты с последовательными адресами располагается в разных блоках. Таким образом, за одно обращение к памяти можно считать несколько команд или данных.
Скорость работы оперативной памяти современных ЭВМ так велика, что требуется какое-то образное сравнение, чтобы это почувствовать. Легко подсчитать, что за одну секунду из памяти можно прочитать 8*108 байт. Если считать каждый байт символом текста и учесть, что на стандартной странице книги помещается примерно 2000 символов, то получается, что за 1 секунду центральный процессор можно прочитать целую библиотеку из 80 томов по 500 страниц в каждом томе.
Легко, однако, вычислить, что, несмотря на такую огромную скорость, оперативная память продолжает тормозить работу центрального процессора. Проведя заново расчёт времени выполнения команды add ax,X мы получим:
10 нс (чтение команды) + 10 нс (чтение числа) + 2 нс (выполнение команды) = 22 нс.
Как видим, хотя ситуация и несколько улучшилась, однако всё ещё примерно 90% своего времени центральный процессор вынужден ждать, пока из оперативной памяти поступят нужные команды и данные. Для того, чтобы исправить эту неприятную ситуацию, в архитектуру компьютера встраивается специальная память, которую называют памятью типа кэш, или просто кэшем.
Кэш работает так же быстро, как и центральный процессор, т.е. может, например, выдавать по 8 байт каждые 1-2 нс. Для программиста кэш является невидимой памятью в том смысле, что эта память не адресуемая, к ней нельзя обратиться из программы по какой-либо команде чтения или записи.1 Центральный процессор работает с кэшем по следующей схеме.
Когда центральному процессору нужна какая-то команда или данное, то сначала он смотрит, не находится ли эта команда или данные в кэше, и, если они там есть, читает их оттуда, не обращаясь к оперативной памяти. Разумеется, если требуемой команды или данных в кэше нет, то центральный процессор вынужден читать их из относительно медленной оперативной памяти, однако копию прочитанного он обязательно оставляет в кэше. Аналогично, при записи данных центральный процессор помещает их в кэш. Особая ситуация складывается, если требуется что-то записать в кэш, а там нет свободного места. В этом случае по специальным алгоритмам, которые Вы будете изучать в следующем семестре, из кэша удаляются некоторые данные, обычто те, к которым дольше всего не было обращения. Таким образом, в кэше накапливаются, в частности, наиболее часто используемые команды и данные, например, все команды не очень длинных циклов после их первого выполнения будут находиться в памяти типа кэш.2
Память типа кэш строится из очень быстрых и, следовательно, дорогих интегральных схем, поэтому её объём сравнительно невелик, примерно 5% от объёма оперативной памяти. Однако, несмотря на свой относительно малый объём, кэш вызывает значительное увеличение скорости работы ЭВМ, так как по статистике примерно 90-95% всех обращений за командами и данными производится в память типа кэш. Теперь наша команда add ax,X будет выполняться за 2+2+2=6 нс.3 Как видим, ситуация коренным образом улучшилась, хотя всё равно получается, что центральный процессор работает только 30% от времени выполнения команды, а остальное время ожидает поступления команд и данных. Для того, чтобы исправить эту ситуацию, нам придётся снова существенно изменить архитектуру центрального процессора.