23.5. Контрольные вопросы
1. Варианты дифференцированной защиты при различных операциях с памятью.
2. Защита отдельных ячеек памяти.
3. Метод граничных регистров.
4. Метод ключей защиты.
5. Система защиты памяти ЭВМ на процессоре I80386.
6. Алгоритмы управления многоуровневой памятью.
7. Физически реализуемые (эвристические) алгоритмы замещения.
Тема 17. Risk – процессоры Лекция 24
24.1. Общая характеристика risk - процессоров
Развитие архитектуры ЭВМ, направленное на повышение их производительности, в последние десятилетия шло по пути усложнения процессоров путем расширения системы команд, введения сложных команд, выполняющих процедуры, приближающиеся к примитивам языков высокого уровня, увеличения числа используемых способов адресации и т.д.
Однако расширение и усложнение набора команд порождает и ряд нежелательных побочных эффектов. Расширение набора команд, числа способов адресации, введение сложных команд сопровождается увеличением длины команды и, в первую очередь, кода операции, что ведет к увеличению числа форматов команд. Это вызывает усложнение и замедление процесса дешифрации кода операции и других процедур обработки команд в процессоре. Возрастающая сложность процедур обработки команд заставляет использовать микропрограммные управляющие устройства с управляющей памятью (микропрограммные УУ) вместо более быстродействующих УУ с жесткой логикой. Усложнение процессора делает более трудным и даже невыполнимым реализацию его на одном кристалле БИС. А размещение процессора в одном кристалле за счет сокращения длин межсоединений облегчает достижение высокой производительности.
Сказанное выше объясняет, почему в начале 80-х гг. сформировалось альтернативное по отношению к усложнению архитектуры процессоров направление. При создании относительно дешевых высокопроизводительных ЭВМ оно использует архитектуру с сокращенным набором команд (СНК-архитектура), называемую в зарубежной литературе RISC-архитектурой. Ниже рассматриваются только основные принципы, заложенные в основу классической RISC-архитектуры.
RISC-архитектура предполагает реализацию в ЭВМ сокращенного набора простейших, но часто употребляемых команд. Это позволяет упростить аппаратные средства процессора и получить возможность повысить его быстродействие. При использовании RISC-архитектуры выбор набора команд и структуры процессора направлены на то, чтобы команды набора выполнялись за один машинный цикл процессора. Выполнение более сложных, но редко встречаемых операций обеспечивают подпрограммы.
В RISC-ЭВМ машинным циклом называется время, в течение которого производится выборка двух операндов из регистров, выполнение операции в АЛУ и запоминание результатов в регистре. Большинство команд в RISC являются быстрыми командами типа "регистр-регистр" и выполняются без обращения к ОП. Для того, чтобы это было возможно, процессор должен содержать достаточно большое число общих регистров.
Таким образом, ЭВМ RISC-архитектуры имеют ряд характерных особенностей:
сокращенный набор команд (обычно не более 50-100);
небольшое число (обычно 2-3) простых способов адресации;
небольшое число простых форматов команд с фиксированными размерами и функциональным назначением полей.
Все это упрощает УУ процессора и позволяет обходиться без микропрограммного уровня управления и управляющей памяти, т.е. УУ может быть выполнено на быстродействующей жесткой логике.
Рассмотренные выше особенности, присущие ЭВМ RISC-архитектуры, приводят к столь значительному упрощению процессора, что возникает возможность размещения в одном кристалле не только процессора, но и большого количества общих регистров. В современных БИС МП RISC-архитектуры число общих и специализированных регистров достигает десятков и сотен при существенном сокращении общего числа транзисторов процессора. Так, например, для реализации 32-разрядных процессоров RISC-архитектуры, соответствующих производительности процессоров класса I80386, требуется менее 50 000 транзисторов, в то время как для процессоров традиционной архитектуры (CISC) – более 150 000.
Большое число РОН, особенно при наличии обеспечивающего их эффективное использование "оптимизирующего компилятора", позволяет до предела сократить обращение к ОП. Это достигается:
за счет того, что промежуточный результат вычисления сохраняется на регистрах;
передача операндов из одних программ в другие или подпрограммы осуществляется через регистры;
не требуется передачи на сохранение в ОП содержимого регистров при прерываниях.
Одной из характерных особенностей RISC-архитектуры является широкое использование механизма перекрывающихся регистровых окон. Он предназначен для уменьшения числа обращений к ОП и межрегистровых передач, что способствует повышению производительности ЭВМ.
Процедурам динамически выделяются небольшие группы регистров фиксированной длины (регистровые окна). Окна последовательно выполняемых процедур перекрываются, благодаря чему возможна передача параметров от одной процедуры к другой. При вызове процедуры процессор переключается на работу с другим регистровым окном. При этом не возникает необходимость в передаче содержимого регистров в память.
Окно состоит из трёх подгрупп регистров (рис. 24.1).
Рис.24.1. RISK – архитектура ЭВМ. Перекрывающиеся регистровые окна
Полагаем, что вызов процедур идет снизу вверх, т.е. процедура A вызывает процедуру B, причем сама была вызвана некоторой предшествующей процедурой. Первая подгруппа содержит параметры, переданные данной процедуре (A) от ее вызвавшей, и результаты для вызывающей процедуры при возврате в нее. Вторая подгруппа содержит локальные переменные процедуры A. Третья является буфером для двухстороннего обмена между процедурой A и вызываемой ею процедурой B. Процедура A передает B параметры при вызове. При возврате из процедуры B в процедуру A последняя получает через этот буфер результаты работы процедуры B. Таким образом, одна и та же подгруппа для процедуры A является регистрами временного хранения, а для следующей (процедуры B) – регистрами параметров. Отдельное окно, доступное всем процедурам программы, выделяется для ее глобальных переменных.
Следует отметить, что компьютеров, полностью удовлетворяющих определению RISC-архитектуры, относительно немного. В большинстве случаев это компьютеры, близкие к RISC-архитектуре. Например, одним из первых компьютеров такого типа являлся высокопроизводительный РС фирмы IBM PC-RT. Он имел 118 команд, всего два способа адресации и два формата команд, 16 РОН, среднее число циклов на команду – три. К чисто RISC-архитектуре принято относить процессоры серии "Alpha" фирмы DEC, серию процессоров "Power PC" совместной разработки фирм Motorola, EPL, IBM, серию процессоров "Rxxxx" (R4000, R5000, R10000) фирмы Mips, серию процессоров "РА" фирмы Hewlett Packard, серию процессоров "SPARC" фирмы Sun Microsystems и др.
Несмотря на широкое использование в литературе терминов "RISC" и "CISC", архитектуры современных мощных процессоров трудно поддаются однозначной классификации. Это связано со стремительным усложнением кристаллов процессоров обоих типов архитектур (RISC и CISC), а также с тем, что в целях повышения производительности разработчики объединяют конструктивные решения, характерные для обоих типов архитектур, в одном устройстве. Так, в мощных CISC-процессорах стало обычным использование RISC-ядра, которое позволяет выполнять сложные команды процессора как наборы элементарных команд, реализуемых по принципам RISC-архитектуры.
Следует отметить также, что принципы RISC-архитектуры заложены в идеологию построения транспьютеров, составляющих основу современных матричных процессоров, используемых в суперЭВМ, а также в платах-"ускорителях" для персональных компьютеров.
Несмотря на интенсивное использование RISC-архитектуры в серийных образцах ЭВМ, продолжаются споры вокруг достоинств и недостатков этой архитектуры. К последним, в частности, относят большую длину кода программы после компиляции (объектного кода) по сравнению с длиной кода машин обычной архитектуры. Так, при эмуляции команд ЭВМ типа VAX в среднем на каждую его команду требуется 5-6 команд машин RISC-архитектуры. Однако, как показали исследования, выигрыш в скорости выполнения команд перекрывает проигрыш от удлинения объектного кода (в общих показателях качества ЭВМ).