Информатика в техническом университете / Информатика в техническом университете. Архитектура вычислительных систем

8.2. Архитектура транспьютеров семейств Т200, Т400 и Т800

транспьютером. При построении ВС c особо сложной структурой можно осуществлять каскадное соединение коммyтаторов ГМ С004.

8.2.3. Организация памяти транспьютера

B процессе функционирования транспьютера осуществляются взаи-

модействия его процессора (и сопроцессора) c локальной внутренней и

внешней памятью и c собственными регистрами [19, 20].

Адресация памяти. для адресации памяти транспьютера используется одно слово, которое называется указателем. Указатель (Pointer) состоит из двух полей: байтового сектора и адреса слова. Байтовый сектор содержит столько битов, сколько необходимо для указания положения байта в слове. B 32-разрядных транспьютерах байтовый сектор занимает младшие 2 бит в указателе, a адрес слова старшие 30 бит. Такая система адресации позволяет использовать одинаковые адресные команды вне зависимости от длины слова, что имеет большое значение для совместимости транспьютеров c различной разрядностью.

B системе команд транспьютера предусмотрены специальные инст - рукции (такие, как 1оад 1оса1 pointer, 1оад non-local pointer, word subscript)

для создания указателей и для манипуляций c ними при обращении к элементам массивов.

Значение указателя рассматривается как целое число со знаком (в диапазоне от минимального отрицательного до максимального положительного значений). Это позволяет использовать для указателей стандартные арифметические операции и функции сравнения.

доступы к внутренней памяти (на кристалле) и к внешней памяти

осуществляются идентично. Все адресное пространство линейно и однородно. Размер прямоадресуемой памяти состaвлял 4 Гбайт, или 2 30 слов. Транспьютеры ГМ Т414 и IMS Т800 имеют статическую внутреннюю память емкостью соответственно 2 К байт и 4 К байт.

Наибольшая производительность транспьютера достигается, если данные и программа размещены во внутренней памяти. Усредненные ре-

антах расположения данных и программ во внутренней и внешней памяти

транспьютера приведены в табл. 8.2. За единицу принято время выполнения

программы для случая, когда данные и программа находятся во внутренней

памяти транспьютера.

За один цикл внешней памяти можно или обратиться к одному слову данных, или провести выборку четырех команд. Поэтому лучшие результа-

ты достигаются в Случае размещения во внешней памяти не данных, a про -

гpамм.

391

8. Транспьютерные вычислительные системы

Регистры. Наличие быстродействующе[ внутренней памяти позволило разработчикам транспьютера ограничиться очень небольшим числом регистpов. Это, в свою очередь, ускорило доступ к регистрам, упростило систему команд транспьютера, a также управляющую логику. При выполнении последовательных программ в процессоре используется шесть 32-разрядных

регистров (рис. 8.5): регистры A, B и С составляют классический вычислительный стек; регистры W (Wordspace), I (next Instruction) и O (Operand) специальные, причем:

W регистр-указатель рабочей области; определяет место хранения локальных переменных выполняемого в текущий момент времени процесса;

I регистр-указатель инструкций (или ziдреса следующей команды); 0 регистр операндов; используется при формировании операндов

команд.

Вычислительный стек (из регистров A, B, C) используется практически всеми командами транспьютера. B нем размещаются операнды и результаты большинства арифметических и логических операций, a также команд планирования параллельных процессов м коммуникаций, в него записываются параметры при вызове процедур и т. п.

A

В

С

W, рабочая область

I, следующая команда О, операнд

Рис. 8.5. Регистры общего назначения процессора транспьютера

392

8.3. Система команд транспьютера

Наличие вычислительного стена позволяет не вводить в структуру команд полей для явного задания регистров. Например, команда адд («сложить») складывает значения, хранящиеся в регистрах A и В, помещает результат в А и копирует содержимое С в В. Поэтому

большинство из выполняемых команд являются однобайтовыми (обычно

70.. .80 %). Статистически установлено, что при трех регистрах в стене достигается оптимальный баланс между компактностью кодов и сложностью аппаратурнои реализации.

В транспьютерах семейства Т800 кроме вычислительного стека в про-..

цессоре имеется также два аналогичных стека в сопроцессоре c плавающей

запятой. Каждый из них состоит из трех 64-рaзрядныx регистров: AF, BF и

CF. В любой момент времени для команд доступен только один стек. Второй стек используется для сохранения состояния сопроцессора (без записи в память) при прерывании процесса c низким приоритетом процессом c высоким приоритетом .

При выполнении тpанспьютерами параллельных процессов дополнительно используются еще четыре регистра, указывающих на начало и конец связных списков процессов c высокими и низкими приоритетами, ожидающих исполнения.

8.3. Система команд транспьютера

Как уже отмечалось в разд. 8.2.2, система команд транспьютера доста-

точно проста, a ее возможности намного шире, чем y набора команд RISC.

Это достигнуто за счет комплекса архитектурных решений, заложенных в процессор [19, 20] .

8.3.1. Формат команд

Все команды транспьютера имеют одинаковый формат. Длина каждой команды 1 байт. Четыре старших разряда составляют код операции, четыре младших поле данных (рис. 8.6). Такой формат команды позволяет определить 16 различных операций, которые кодируются значениями от 0 до F (в 16-ричном виде). Эти операции приведены в табл. 8.3.

Использование байтовых инструкций делает систему команд независимой от длины слова процессора, и поэтому оттранслированная программа

Рис. 8.б. Формат команды транспьютера

393

8. Транспьютерные вычислительные системы

Короткие команды повышают также эффективность механизма выбopки команд. За одно обращение к памяти r.:poиcxoдит выборка сразу чeтыpex команд. B процессоре имеется буфер команд длиной в два 32-раз- рядных слова (следовательно, рассчитанный на восемь команд). Поэтому редко возникают ситуации, когда процессору приходится ожидать выборки очередной команды из памяти. B случае размещения программы во внyтpeннeй памяти тpaнcпьютepa это может пpoиcкoдить только после выполнения команды передачи управления. Время заполнения буфера команд нeзнaчитeльнoe — оно равно времени выборки из памяти только двух слов.

8.3.2. Команды c прямой адресацией

Из 16 команд, приведенных в табл. 8.3, 13 команд (кроме prefix,

negative prefix и operate) используются наиболее часто. Содержимое поля данных является операндом команды и имеет значение ото до 15. Это со-

394

8.3. Система команд транспьютера

держимое может использоваться в качестве константы или смещения при

адресации.

Команда 1оад constant загружает значение константы в вычислитель-

ный стек процессора; адд constant прибавляет константу к содержимому

А-peгиcтpa.

Команды 1оад 1оса1, store 1оса1, 1оад 1оса1 pointer позволяют пересы-

лать данные из памяти в стек и обратно и загружать указатель в стек, используя указатель рабочей области в качестве базы, a значение поля данных команды в качестве смещения при адресации. K первым 16 ячейкам памяти

можно обратиться при помощи одной байтовой команды.

Команды 1оад non-local, store nоn-1оса1, 1оад поп-1оса1 pointer выпол-

няют функции, аналогичные предшествующим трем командам, за исключением того, что они используют в качестве базы при обращении к ячейкам

памяти содержимое А-peгиcтpa стена.

Команды jump и conditional jump осуществляют безусловную и условную передачу управления команде, адрес которой определяется значением регистра операндов. Условная передача управления проводится, если содержимое А-peгиcтpa равно 0.

Команда са11 вызов процедуры приводит к нижеследующим действиям в транспьютере IMS Т414. Содержимое вычислительного стена

процессора и значение регистра-указателя инструкций копируются в рабочyю область памяти. Обычно в вычислительном стeке процессора содержат-

ся два первых параметра вызываемой процедуры и адрес ее рабочей области в памяти; остальные параметры должны быть вычислены и записаны в ра-

бочyю область заранее. После окончания выполнения процедуры команда return устанавливает первоначальное состояние стека и регистра-указателя

инструкций. B транспьютере ГМ Т800 вызов процедуры происходит анало-

гично, необходимо только дополнительно сохранять состояние стена сопроцессора c плавающей запяток.

Рассмотрим два примера. Пусть х локальная переменная, размещенная в памяти со смещением x (значение x ограничено от 0 до 15) относительно указателя рабочей области. Тогда строка Оккам-програмл ьи x: =4 будет иметь следующее представление в командах (сначала записывается операция, затем поле данных):

1оад constant 4

store 1оса1 x

Пусть в примере x: = y +4 переменная y является внешней по отношению к процессу, содержащему данный оператор. Адрес области памяти, где

хранится значение переменной y , записан в локальной области памяти со смещением staticlink относительно указателя рабочей области. Поэтому

395

8. Транспьютерные вычислителыьте системы

сначала проводится загрузка локальная в стен: указателя на внешнюю область памяти, a затем загрузка нелокaльная переменной y, расположенной со смещением y в первых 16 ячейках этой области памяти. Полная последовательность команд имеет следующий вид:

8.3.3. Префиксные ком анды

Известно, что поле данных команды (см. рис. 8.6) занимает четыре бита, следовательно, операнд ограничен значениям ими от О до 15. Для получения

больших значений операнда используются пр ^фиксные команды: prefix и negative prefix (см. табл. 8.3). При выполнении любой команды тpанспьютера

4 бит поля данных копируются в четыре младпп х разряда регистра операндов, содержимое которого используется в качестве операнда команды (рис. 8.7). Кроме префиксных все команды завершаются очисткой этого регистра.

0 - регистр операндов

Рис. 8.7. Формирование оп :рандов

Команда prefix загружает свои 4 бит поли данных в регистр операндов, a затем сдвигает его на четыре разряда. Кома ада negative prefix действует аналогично c той лишь разницей, что перед сд: зигом она инвертируeт содержимое регистра операндов. Это позволяет легко задать отрицательные значения операнда (отрицательные числа в транспьк тере представляются в допол-

нительном коде). Выполняя последовательность префиксных команд, можно

получить операнд любой длины вплоть до разрА дности регистра операндов. B следующем примере записана последовательность команд для за-

грузки в А-регистр вычислительного стена 1 б-ричной константы # 754 и приведено содержимое регистра операндов и А-регистpа после выполнения каждой команды:

396

8.3.Система команд транспьютера

8.3.4.Команды c косвенной адресацией

При выполнении команды operate ее операнд интерпрeтируeтся как код операции над данными в вычислительном стеке. Например, если в ре-

зультате такой интерпретации выявляется операция адд, то выполняется

суммирование данных из регистров A и B, размещение результата в A-peгиcтpe и копирование.содержимого C в регистре B.

Команда транспьютера operate не содержит явно заданных адресов операндов и поэтому называется командой c косвенной адресацией. Префиксные команды можно использовать для расширения системы команд

транспьютера, точнее: границ возможных значении операндов для команды operate (это делается так же, как для других команд).

Система команд транспьютера построена так, что наиболее часто вcтpeчающиеся опepaции c кocвенной адресацией кодируются в 1 байт. эго некоторые арифметические и логические операции, a также операции сравнения, ввода-вывода, управления и планирования параллельных процессов. Менее часто встречающиеся операции кодируются в 2 байта c использованием одной префиксной команды (число команд транспьютера значительно меньше 512).

Статистика, полученная из большого числа программ, показывает, что 70.. .80 % выполняемых инструкций кодируется в 1 байт, причем больше половины из них одноцикловые.

Рассмотрим, например, вычисление выражения

x: = (v – w) * (y + # 24)

Пусть локальные переменные x, y, v, w хранятся в первых 16 ячейках относительно указателя рабочей области памяти со смещениями x, y, v, w. Последовательность команд для вычисления этого выражения имеет сле дующий вид:

Число байтов Число циклов

Операция operate multiply кодируется в 2 байта (# 25 и # F3), так как

код multiply (oпepaнд для operate) равен # 53. Поэтому фактически пpoиc- xoдит выполнение двух команд — prefix # 5 и operate #3.

397

8. Транспьютерные вычислительные системы

Если размер вычислительного стена является недостаточным для вычисления выражения, компилятор создает пг омежуточные переменные в локальной области памяти. Однако на практике такие случаи встречаются редко.

B дальнейшем слово operate в командах будет опускаться. Любая команда транспьютера, кроме перечисленных в табл. 8.3, использует в качест-

ве своего кода операции операнд инструкции # F operate. Из всех команд

транспьютера только 16 кодируется в 1 байт, остальные в 2 байта (используя для формирования операнда одну прЕ фиксную команду). Для изучения полной системы команд транспьютера читателю рекомендуется обратиться к специальным руководствам [19, 20] .

8.3.5. Команды для операций c плавающей запятой

Система команд транспьютера IMS Т80) включает в себя все коман-

ды IMS Т414, a также имеет дополнительные инструкции для загрузки

операндов из памяти в вычислительный стек сопроцессора и записи из этого стена в память, арифметические операц: ти и операции сравнения над операндами c плавающей запятой. B набор ко:иiанд транспьютера IMS Т800 входит также и ряд сложных инструкций, являющихся комбинациями уже отмеченных команд. Кроме того, в IMS Т800 реализованы и команды для работы c цветной графикой, распознавания образов, обработки кодов исправления ошибок.

Необходимо отметить, что транспьютер IMS Т414 имеет микропрограммную поддержку для выполнения о перации c плавающей запятой. Дальнейшее изложение будет сконцентрировано только на системе

команд.

B IMS Т800 передача операндов межд у стеком сопроцессора и памятью осуществляется командами загрузки и записи операндов c плавающей запятой. Существует две группы таких команд одна для 32-раз- рядных операндов, другая для 64-разрядны. Ниже будут рассмотрены команды для операндов двойной длины; ко:иiанды для операндов c одинарной длиной идентичные, необходимо только заменить слова доиЫе на слово single.

Адрес операнда c плавающей запятой предварительно вычисляется в стене процессора, a затем операнд, расположе Кныи по этому адресу в памяти, загружается в стек сопроцессора. Добавлены две команды для более эффективного доступа к словам c двойной длиной. Одна из них word subscript доиЫе используется при выборке элементов массивов, другая duplicate необходима, когда процессор работает c адресами старшего и младшего слов объектов двойной длины.

398

8.3. Система команд транспьютера

Операнды в вычислительном стене тегируются. Тег определяет длину операнда; он устанавливается во время загрузки операнда или его вычисления. Наличие тега позволяет уменьшить число команд для операций с пла-

вающей запятой. Поэтому, например, не требуется иметь одновременно ко-

мaнды floating адд single и floating адд доиЫе достаточно одной коман-

ды floating адд.

Две команды загружают операнды двойной длины в вычислительный

стек сопроцессора floating 1оад non-1оса1 доиЫе и floating 1оад indexed

доиЫе. Первая из них загружает в AF-регистр операнд, адрес которого в памяти задается содержимым А-регистpа стека процессора. Вторая команда

действует также как последовательность двух инструкций word subscript доиЫе и floating 1оад non-1оса1 доиЫе. Операнд загружается в АF-регйстр,

используя содержимое B-регистpа как смещение (в словах двойной длины),

a содержимое А-регистpа как базу при адресацин. На рис. 8.8 показано дей- ствие команды floating 1оад indexed доиЫе.

Введение команды загрузки c индексам ией, заменяющей последовательность двух более просты команд, позволяет во многих случаях сущест-

венно уменьшить размер откомпяляроваиной програМ ьi. инструкция

floating 1оад indexed доиЫе кодируeтся в 2 байта, в то время как последоватeльнocть из двух команд требует 4 байта. Этa последовательность встречалась

бы в отгранслированном коде для каждого обращен я к элементам массива. B системе команд EMS Т800 присутствует инструкция floating store

доиЫе, которая используется для записи операндов двойной длины из

a — перед выполнением; б — после выполнения

399

8. Транспьютерные вы числители ные системы

AF-регистpа в память. Команда записи c индекоацией отсутствует, так как в любой программе число операций записи в память меньше числа операций загрузки.

Команды сложения, вычитания, умножения и деления c плавающей

запятой используют в качестве операндов содержимое AF- и BF-регистpов, размещают результат в AF и копируют содержимое CF в BF. Команды floating greater then и floating equality сра:знивают содержимое AF- и BF-регистpов и загружают результат (логическое значение) в A-регистp сте-

ка процессора.

B следующем примере приведен фрагмент Оккам-программы, в кото-

ром булева переменная convergated указываем больше ли значение переменной abs. error величины epsilon или нет:

BOOL convergated: REAL32 abs. error, epsilon: SEQ

convergated: = abs. error < epsilon

Откомпилированный код для этого фрагмента имеет следующий вид:

Существует четыре команды, заменяющие последовательности из

двух инструкций: загрузки операнда и операции сложения или умножения.

Это команды floating load non-local and add double и floating load non-local and muitiply double

но? (single) длины.

8.3.6. Парaллельное функционирование процессора и сопроцессора

B транспьютере IMS Т800 процессор может одновременно работать c сопроцессором. Это позволяет производить вы числения адресов в процессоре во время выполнения сопроцессором опер нации c плавающей запяток, следовательно, приводит к увеличению производительности транспьютера.

Особенно большой эффект от параллель ной работы процессора и сопроцессора достигается при выборе элементов многомерных массивов. При выполнении адресных вычислений обычно ис: тользуется команда быстрого yмножения без контроля над переполнением р?одисt.

400