Реклама:

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1. Вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд.

2. Меняет положение счетчика команд, который после этого указывает на следующую команду1.

3. Определяет тип вызванной команды.

4. Если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово.

5. Переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора2.

Это происходит после декодирования текущей команды, а иногда и после ее выполнения. - Примем, научи, ред.

Следует заметить, что бывают команды, которые требуют загрузки из памяти целого множества слов и их обработки в рамках единственной команды. - Примеч. научи, ред.

6. Выполняет команду.

7. Переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

Такая последовательность шагов (выборка - декодирование - выполнение)

является основой работы всех компьютеров.

Описание работы центрального процессора можно представить в виде программы. В листинге 2.1 приведена такая программа-интерпретатор на языке Java. В описываемом компьютере есть два регистра: счетчик команд с адресом следующей команды и аккумулятор, в котором хранятся результаты арифметических операций. Кроме того, имеются внутренние регистры, в которых хранится текущая команда (instr), тип текущей команды (instr_type), адрес операнда команды (datajloc) и сам операнд (data). Каждая команда содержит один адрес ячейки памяти. В ячейке памяти находится операнд, например фрагмент данных, который нужно добавить в аккумулятор.

Листинг 2.1. Интерпретатор для простого компьютера (на языке Java)

public class Interp{

static mt PC; // PC содержит адрес следующей команды

static int AC; // Аккумулятор, регистр для арифметики

static int instr; // Регистр для текущей команды

static int instr_type; // Тип команды (код операции)

static int datajoc; // Адрес данных или -1, если его нет

static int data; // Текущий операнд

static boolean run_bit = true; // Бит, который можно сбросить,

// чтобы остановить машину

public static void interpret(int memory[], int starting_address{ // Эта процедура интепретирует программы для простой машины, // которая содержит команды только с одним операндом из // памяти. Машина имеет регистр АС (аккумулятор). Он // используется для арифметических действий. Например, // команда ADD суммирует число из памяти с АС. Интерпретатор // работает до тех пор, пока не будет выполнена команда // HALT, вследствие чего бит run_bit поменяет значение на // false. Машина состоит из блока памяти, счетчика команд, бита // run bit и аккумулятора АС. Входные параметры представляют собой // копию содержимого памяти и начальный адрес.

PC=starting_address;

while (run_bit) { instr=memory[PC]; // Вызывает следующую команду в instr РС=РС+1; // Увеличивает значение счетчика команд

instr_type=get_instr_type(instr); // Определяет тип команды data_loc=find_data(instr, instr_type); // Находит данные (-1,

// если данных нет) if(data_loc>=0) // Если data_lock=-l, значит, операнда нет

data=memory[data_loc]; // Вызов данных

execute(instr_type,data); // Выполнение команды

}

}

private static int get_instr_type(int addr) {...} private static int find_data(int instr, int type) {...} private static void execute(int type, int data) {...}

}

Сам факт того, что можно написать программу, имитирующую работу центрального процессора, показывает, что программа не обязательно должна выполняться реальным процессором (устройством). Напротив, вызывать из памяти, определять тип команд и выполнять эти команды может другая программа. Такая программа называется интерпретатором. Об интерпретаторах мы говорили в главе 1.

Программы-интерпретаторы, которые имитируют работу процессора, широко используются при разработке компьютерных систем. После того как разработчик выбрал машинный язык (Я) для нового компьютера, он должен решить, разрабатывать ли ему процессор, который будет выполнять программы на языке Я, или написать специальную программу для интерпретации программ на том же языке. Если он решит написать интерпретатор, ему потребуется разработать аппаратное обеспечение для выполнения этого интерпретатора. Возможны также гибридные конструкции, когда часть команд выполняется аппаратным обеспечением, а часть интерпретируется.

Интерпретатор разбивает команды на более мелкие (элементарные). В результате машина, предназначенная для выполнения интерпретатора, может быть гораздо проще по строению и дешевле, чем процессор, выполняющий программы без интерпретации. Такая экономия особенно важна при большом количестве сложных команд с различными параметрами. В сущности, экономия проистекает из самого факта замены аппаратного обеспечения программой (интерпретатором).

Первые компьютеры поддерживали небольшое количество команд, и эти команды были простыми. Однако разработка более мощных компьютеров привела, помимо всего прочего, к появлению более сложных команд. Вскоре разработчики поняли, что при наличии сложных команд программы выполняются быстрее, хотя выполнение каждой отдельной команды занимает больше времени. (В качестве примеров таких сложных команд можно назвать выполнение операций с плавающей точкой, обеспечение прямого доступа к элементам массива и т. п.) Если обнаруживалось, что пара тех или иных команд часто выполняется последовательно, вводилась новая команда, заменяющая эти две.

Сложные команды оказались лучше еще и потому, что некоторые операции иногда перекрывались. Подобные операции могли выполняться параллельно, но для этого требовалась дополнительная аппаратура. Для дорогих компьютеров с высокой производительностью приобретение такого дополнительного аппаратного обеспечения было вполне оправданным. Таким образом, у дорогих компьютеров было гораздо больше команд, чем у дешевых. Однако развитие программного обеспечения и требования совместимости команд привели к тому, что сложные команды стали использоваться и в дешевых компьютерах, хотя там во главу угла ставилась стоимость, а не быстродействие.

К концу 50-х годов компания IBM, которая лидировала тогда на компьютерном рынке, решила, что производство семейства компьютеров, каждый из которых выполняет одни и те же команды, выгоднее и для самой компании, и для покупателей. Чтобы охарактеризовать этот уровень совместимости, компания IBM ввела термин архитектура. Новое семейство компьютеров должно было иметь единую архитектуру и много разных моделей, различающихся по цене и скорости, но "умеющих" выполнять одни и те же программы. Но как построить дешевый компьютер, который сможет выполнять все сложные команды, предназначенные для высокоэффективных дорогостоящих машин?

Решением проблемы стала интерпретация. Эта технология, впервые предложенная Уилксом в 1951 году, позволяла разрабатывать простые дешевые компьютеры, которые тем не менее могли выполнять большое количество команд. В результате компания IBM создала архитектуру System/360 - семейство совместимых компьютеров, различающихся по цене и производительности. Аппаратное обеспечение, позволяющее работать без интерпретации, использовалось только в самых дорогих моделях.

Простые компьютеры с интерпретаторами команд имели свои достоинства. Наиболее важными среди них являлись:

♦ возможность исправлять неправильно выполненные команды или даже компенсировать ошибки аппаратного обеспечения;

♦ возможность добавлять новые команды при минимальных затратах, причем при необходимости уже после покупки компьютера;

♦ возможность (благодаря структурированной организации) разработки, проверки и документирования сложных команд.

В 70-е годы компьютерный рынок быстро разрастался, новые компьютеры могли выполнять все больше и больше функций. Спрос на дешевые компьютеры провоцировал создание компьютеров с интерпретаторами. Возможность разрабатывать аппаратное обеспечение с интерпретатором для определенного набора команд привела к появлению дешевых процессоров. Полупроводниковые технологии быстро развивались, низкая стоимость брала верх над высокой производительностью, и интерпретаторы стали применяться при разработке компьютеров все шире и шире. Интерпретация использовалась практически во всех компьютерах, выпущенных в 70-е годы, от мини-компьютеров до самых больших машин.

К концу 70-х годов интерпретаторы стали применяться практически во всех моделях, кроме самых дорогих машин с очень высокой производительностью (например, Сгау-1 и компьютеров серии Control Data Cyber). Интерпретаторы обеспечивали реализацию сложных команд без использования дорогостоящей аппаратуры, поэтому разработчики могли вводить все более и более сложные команды, а также (и даже в особенности) расширять способы определения операндов.

Эта тенденция достигла своего апогея в компьютере VAX, разработанном компанией DEC; у него было несколько сот команд и более 200 способов определения операндов в каждой команде. К несчастью, архитектура VAX с самого начала разрабатывалась с ориентацией на интерпретатор, а производительности уделялось мало внимания. Это привело к появлению большого количества команд второстепенного значения, которые сложно было реализовать непосредственно. Данное упущение стало фатальным как для VAX, так и для его производителя (компании DEC). Компания Compaq купила DEC в 1998 году (правда, тремя годами позже сама компания Compaq вошла в структуру Hewlett-Packard).

Хотя самые первые 8-разрядные микропроцессоры были очень простыми и поддерживали небольшой набор команд, к концу 70-х годов даже они стали разрабатываться с ориентацией на интерпретаторы. В этот период основной проблемой для разработчиков стала возрастающая сложность микропроцессоров.

Главное преимущество интерпретации заключалось в том, что можно было разработать очень простой процессор, а все самое сложное реализовать с помощью интерпретатора. Таким образом, вместо разработки сложной аппаратуры требовалась разработка сложного программного обеспечения.

Успех системы Motorola 68000 с большим набором интерпретируемых команд и одновременный провал компьютера Zilog Z8000, у которого был столь же обширный набор команд, но не было интерпретатора, продемонстрировали все преимущества интерпретации при разработке новых машин. Этот успех был довольно неожиданным, учитывая, что компьютер Z80 (предшественник Zilog Z8000) пользовался большей популярностью, чем Motorola 6800 (предшественник Motorola 68000). Конечно, важную роль здесь играли и другие факторы, например то, что компания Motorola много лет занималась производством микросхем, а торговая марка Zilog принадлежала Exxon - крупной нефтяной компании.

Еще один фактор в пользу интерпретации - существование быстродействующих постоянных запоминающих устройств для хранения интерпретаторов (так называемых командных ПЗУ). Предположим, что для выполнения обычной интерпретируемой команды интерпретатору компьютера Motorola 68000 нужно выполнить 10 команд (они называются микрокомандами), по 100 не на каждую, и произвести 2 обращения к оперативной памяти, по 500 не на каждое. Общее время выполнения команды составит, следовательно, 2000 не, всего лишь в два раза больше, чем в лучшем случае могло бы занять непосредственное выполнение этой команды без интерпретации. А если бы не было специального быстродействующего постоянного запоминающего устройства, выполнение этой команды заняло бы целых 6000 не. Таким образом, значимость командных ПЗУ очевидна.

Устройство центрального процессора || Оглавление || Системы RISC и CISC