-
Многоуровневая модель процессорной системы
Рассмотренная выше архитектура процессора представляется в виде совокупности различных функциональных блоков. Однако существует и другая модель, рассмотренная, например, в книге Э. Таненбаума «Архитектура компьютера». Согласно этой модели, процессорная система, как и вообще ЭВМ, представляется в виде многоуровневой иерархической структуры, при этом между смежными уровнями существует интерфейс. Наличие интерфейса объясняется различием языков, используемых на каждом из уровней системы.
Многоуровневая организация цифровой системы:
6. Уровень языков высокого уровня
5. Уровень языка ассемблер
4. Уровень операционной системы
3. Уровень команд
2. Уровень микрокоманд
1. Аппаратное обеспечение
0. Физический уровень
На физическом уровне 0 находятся транзисторы, резисторы и другие элементы, реализующие схемы различных блоков цифровой системы.
На уровне 1 аппаратного обеспечения (hardware) находятся вентили (логические элементы), которые вычисляют простые функции булевской алгебры. Эти вентили могут входить в различные БИС и СБИС. Комбинации вентилей реализуют различные комбинационные схемы и элементы памяти.
Уровень 2 называется микрокомандным уровнем, либо уровнем микрокоманд, либо микроархитектурным уровнем. Здесь вентили уровня 1 объединены в блоки типа АЛУ, регистры, шины. Эти блоки образуют операционный автомат процессора. Этот автомат иногда называется data-path (тракт данных). Управление работой этого ОА может производиться специальной микропрограммой, хранимой в управляющей памяти. В этом
случае процессор содержит firmware, то есть микропрограммное обеспечение. Каждая команда ЭВМ выполняется как микропрограмма, то есть интерпретируется. В настоящее время уровень firmware часто
отсутствует и для управления работой ЭВМ используется микропрограммный автомат. В нашем курсе этот уровень рассмотрен более подробно. Поскольку мы рассматриваем классические принципы проектирования и реализации МПС, то в этом контексте большое внимание будет уделено микропрограммным устройствам управления.
Уровень 3 называется уровнем архитектуры команд. Команды выполняются при помощи микропрограмм-интерпретаторов, либо аппаратным обеспечением (автоматами с «жесткой» логикой). Исторически этот уровень появился самым первым и на первых ЭВМ он был единственным. Этот уровень является связующим звеном между программным и аппаратным обеспечением. Как правило, программы пишутся на языках высокого уровня, а затем транслируются в промежуточную форму, которая «понятна» аппаратуре ЭВМ. Этой формой и являются машинные команды, связывающие компилятор и аппаратное обеспечение.
Уровень 4 - уровень операционной системы, он необходим для планирования и управления процессом обработки информации. Этот уровень может запускать одновременно несколько команд либо программ, следить за
обменом информацией между разными процессами и синхронизовать выполнение этих процессов. Программы операционной системы выполняют распределение памяти между различными программами, управляют вводом-
выводом и так далее. Как и на уровнях 1 – 3, здесь используются машинные языки, состоящие из нулей и единиц. Определенные комбинации нулей и единиц представляют собой команды уровней 1 – 3. Уровень ОС – последний из уровней, на которых работает системный программист.
На уровне 5 используется язык ассемблера, который представляет собой символическую форму машинного языка низкого уровня. Таким образом, вместо нулей и единиц, этот язык содержит некоторые символы, понятные человеку. Если код 10101 означает операцию сложения, то на уровне ассемблера этот код может обозначаться, например, символом ADD. Этот уровень доступен уже для прикладных программистов. Далее программы транслируются на языки уровней 2, 3 или 4, а затем уже интерпретируются (выполняются) аппаратурой ЭВМ. Программа, выполняющая трансляцию с уровня 5, также называется ассемблером.
На уровне 6 находятся программы, написанные на языках высокого уровня (С, С++, ADA, Java и т.д.). Эти программы, как правило, транслируются, используя специальные программы, называемые компиляторами.
Итак, МПС представляет собой иерархическую систему, каждый из уровней которой обладает своими особенностями, типами данных и операций.
В состав МПС входят, как правило, автоматы, построенные по принципу схемной логики, наряду с автоматами, построенными по принципу программируемой логики. Такое сочетание придает МПС гибкость и обеспечивает необходимое быстродействие, что и привело к широкому использованию МПС во всех сферах применения цифровой техники.