1. ПОНЯТИЕ АРХИТЕКТУРЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Появление серийно выпускаемых сверхбольших надежных и дешевых интегральных схем, массовое производство микропроцессоров, возобновившийся интерес к разработке языков программирования и программного обеспечения порождают возможность при проектировании компьютеров качественно продвинуться вперед за счет улучшения программно аппаратного интерфейса, т. е. семантической связи между возможностями аппаратных средств современных ЭВМ и их программного обеспечения. Организация вычислительной системы (ВС) на этом уровне лежит в основе понятия "архитектура". Для неспециалистов в области программного обеспечения термин "архитектура" ассоциируется, как правило, со строительными объектами. И здесь, как увидим далее, есть много общего.Действительно, архитектура компьютера, характеризующая его логическую организацию, может быть представлена как множество взаимосвязанных компонент, включающих, на первый взгляд, элементы различной природы: программное обеспечение (software), аппаратное обеспечение (hardware), алгоритмическое обеспечение (brainware), специальное фирменное обеспечение (firmware) – и поддерживающих его слаженное функционирование в форме единого архитектурного ансамбля, позволяющего вести эффективную обработку различных объектов. С другой стороны, архитектура может быть задана как абстрактное многоуровневое представление физической системы с точки зрения программиста, с закреплением функций за каждым уровнем и установлением интерфейса между различными уровнями. Знание особенностей разнообразных архитектурных решений дает возможность пользователям компьютеров эффективно распоряжаться всеми предоставляемыми ресурсами, осуществляя их направленный выбор и тем самым повышая эффективность обработки данных.^ 1.1. Архитектура как набор взаимодействующих компонент Ранее область применения вычислительных систем определялась ее быстродействием. Однако существует достаточно большое количество ВС, обладающих равным быстродействием, но имеющих совершенно разные способы представления данных, методы организации памяти, режимы работы, системы команд, набор ВнУ и т. д. Таким образом, ВС имеет, кроме быстродействия, ряд других характеристик, необычайно важных в той или иной области применения. Это стало особенно заметно при переходе к ВС четвертого и пятого поколений. Совокупность таких характеристик и легла в основу понятия архитектуры ВС. Архитектура ВС определяет основные функциональные возможности системы, сферу применения (научно техническая, экономическая, управление и т. д.), режим работы (пакетный, мультипрограммный, разделения времени, диалоговый и т. д.), характеризует параметры ВС (быстродействие, набор и объем памяти, набор периферийных устройств и т. д.), особенности структуры (одно , многопроцессорная) и т. д. Составные части понятия "архитектура" можно определить следующей схемой (рис. 1.1).Рис. 1.1. Функциональные возможности ВСВычислительные и логические возможности ВС. Они обусловливаются системой команд (СК), характеризующей гибкость программирования, форматами данных и скоростью выполнения операций, определяющих класс задач, наиболее эффективно решаемых на ВС. Система команд ВС, базирующихся на архитектуре фон Неймана, сегодня мало чем отличается от СК ЭВМ 50 х годов. Большинство достижений в этой области остались незамеченными проектировщиками и соответственно не нашли адекватного воплощения в архитектуре современных компьютеров. Анализ показывает, что в различных программах чаще всего встречаются достаточно простые команды: команды пересылки и команды процессора с использованием регистров и простых режимов адресации. Не нашли широкого применения и нетрадиционные способы кодирования данных, несмотря на значительные возможности их в плане разработки быстродействующих алгоритмов арифметических операций. Среди них знакоразрядные системы, системы в коде вычетов и др.Рассмотрим структуру системы команд в зависимости от класса решаемых задач (рис. 1.2). К командам управления мы относим команды ввода-вывода данных и команды управления состоянием процессора, памяти и каналов. Как видно из рис. 1.2, для решения задач любого класса необходимы Рис. 1.2. Классификация СК по назначениюкоманды типов 2 и 3. Следовательно, эти типы команд должны присутствовать в любом компьютере. Большое влияние на точность выполнения операций оказывают форматы данных. Современные компьютеры имеют развитую систему форматов. Например, компьютеры фирм ЕС ЭВМ и IВМ имеют форматы в 2, 4, 8 и 16 байт. Алгоритмы выполнения операций достаточно полно отражают производительность только однопроцессорных ВС.^ Аппаратные средства. Простейшая ВС включает модули пяти типов: центральный процессор, основная память, каналы, контроллеры и внешние устройства. Процессор (УУ + АЛУ + память) управляет работой системы и обеспечивает вычисления непосредственно по программе. Выполнение машинных команд, команд ввода-вывода (I/О), обращение к памяти, управление состоянием устройств инициализируются или выполняются с помощью процессора. Основная память предназначена для хранения команд и данных и обеспечивает адресный доступ к ним от процессора. Современная память работает со скоростью, близкой к скорости работы процессора. Каналы – спецустройства, управляющие обменом данных с внешними устройствами. Каналы инициируют свою работу с помощью процессора и затем переходят в автономный режим работы. Это, по сути, спецпроцессор ввода – вывода, обеспечивающий работу внешних устройств, контроль информации и т. д. Контроллеры ввода-вывода служат для подсоединения внешних устройств (ВнУ) к каналам и обеспечивают обмен управляющей информацией с внешними устройствами, присвоение приоритетов и выдачу информации о состоянии ВнУ для канала, т. е. это устройства управления ВнУ. ВнУ служат для ввода-вывода информации с различных носителей. Память может быть организована как многоуровневая с различным объемом и временем доступа к ней – сверхоперативная (СОЗУ), оперативная (ОП), внешняя (ВнП) (рис. 1.3), так и одноуровневая, виртуальная. Почти всегда виртуальная память есть переупорядоченное подмножество реальной памяти.Рис. 1.3. Типы памяти (V – объем, S – быстродействие) Уровни иерархии памяти взаимосвязаны между собой: все данные одного уровня могут быть найдены на более низком уровне. Успешное или неуспешное обращение к уровню памяти называют соответственно попаданием (hit) или промахом (miss), а соответствующее время – временем обращения (hit time или miss penalty). Существенное влияние на производительность ВС оказывают каналы ввода-вывода. Мультиплексный канал обеспечивает работу группы медленных устройств, блок-мультиплексный – группы быстрых устройств, селекторный – монополизирует информационную магистраль только одним быстродействующим устройством. Для повышения пропускной способности каналов используют некоторые дополнительные меры, например буферизацию ВнУ путем введения памяти в состав самого устройства или контроллера. Аппаратные средства защиты памяти служат для управления доступом к различным областям памяти в соответствии с имеющимися у пользователя полномочиями.^ Программное обеспечение. Оно является составной частью архитектуры компьютера и существенно влияет на весь вычислительный процесс, в частности позволяет эффективно эксплуатировать аппаратные средства системы.Операционная система (ОС) управляет ресурсами, разрешает конфликтные ситуации, оптимизирует функционирование системы в целом. Широкий спектр языков программирования позволяет описывать практически любые задачи, а разнообразие компиляторов – их эффективно реализовывать. Роль прикладного программного обеспечения (ПО) необычайно велика для решения тематических задач.^ 1.2. Архитектура как интерфейс между уровнями физической системы Применительно к ВС термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, выполняемых системой, по различным уровням и установление интерфейса между этими уровнями. На рис. 1.4 представлен набор уровней абстракции как специфического свойства архитектуры ВС. Остановимся лишь на ключевых уровнях.Рис. 1.4. Многоуровневая организация архитектуры вычислительной системы Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных решаются системой, а какие передаются внешнему миру: пользователю, оператору ЭВМ, администратору баз данных и т. д. Система взаимодействует с внешним миром через два набора интерфейсов: языки (язык программирования, язык оператора терминала, язык управления заданиями, язык общения с базой данных, язык оператора ЭВМ) и системные программы (программы редактирования, связи, оптимизации, восстановления и обновления информации, интерпретации, управления и т. д., т. е. программы, созданные разработчиком системы). Оба интерфейса должны быть созданы при разработке архитектуры системы. Уровни, определяемые интерфейсами внутри программного обеспечения, могут быть представлены как архитектура программного обеспечения. К примеру, если прикладные задачи реализованы на языках программирования, которые не входят в набор языков, предоставляемых системой пользователю, то здесь речь может идти об архитектуре уровня, позволяющего определить указанные языки. Уровень 5 является одним из центральных уровней архитектуры и проводит разграничение между системным программным и аппаратным (т. е. схемным и микропрограммным) обеспечением. Он позволяет представить физическую структуру системы независимо от способа реализации. Остальные уровни отражают интерфейсы и распределяют функции между отдельными частями физической системы. Таким образом, можно сказать, что архитектура компьютера – это абстрактное представление физической системы с точки зрения программиста. Процесс разработки архитектуры ЭВМ включает все этапы разработки типовых проектов: анализ требований, предъявляемых к системе; составление спецификаций; изучение известных решений; разработку функциональной схемы; разработку структурной схемы; отладку проекта; оценку проекта. При анализе требований, например, мы учитываем спектр необходимых языков программирования, способ взаимодействия с окружающей средой, требования к операционной системе, некоторые технико экономические факторы: количество таких систем (ибо это существенно влияет на соотношение между аппаратным и программным обеспечением), совместимость разрабатываемой системы (по языкам программирования, операционным системам, форматам данных, техническим устройствам) с существующими аналогичными вычислительными системами и т. д. При анализе требований и составлении перечня спецификаций параметров системы необходимо разработать критерии (с их весовыми коэффициентами), определяющие стоимость, надежность, защиту от несанкционированного доступа, совместимость и т. д. и описать функции системы в соответствии с этими критериями. В спецификациях учитывается и существующий или достижимый технологический уровень для производства системы. Естественно, что возникающие противоречивые требования должны быть разрешены в соответствии с приоритетами или на другой основе. На этапе разработки функциональной схемы необходимо в первую очередь решить вопрос о разграничении функций между аппаратурой и программным обеспечением, а также между другими уровнями архитектуры. Здесь же решаются вопросы о необходимости работы с плавающей или фиксированной точкой, о приоритетных прерываниях, о стековой организации памяти и т. д. При структурной организации все вопросы детализируются и углубляются. В частности, здесь решаются проблемы типов и форматов команд, способов представления данных, способов адресации, семантики языка. При завершении проекта идет его отладка, согласование взаимодействия отдельных уровней и оптимизация, например, по количеству битов, пересылаемых между процессором и памятью при выполнении данной программы, отысканию эффективного метода кодирования команд и числовой информации и т. д. И наконец – оценка проекта. Простая оценка быстродействия (которое иногда понимается как производительность) мало что определяет. Здесь необходимо учитывать время, затраченное на разработку программы. Используя известные статистические данные о том, что преобладающее количество разработанных программ выполняется только один раз, простота программирования при оценке архитектуры может оказаться важнее скорости выполнения команд. Однако скорость выполнения операций – важный параметр. Быстродействие, естественно, зависит как от технологической элементной базы, влияющей на скорость обработки данных, так и от архитектуры машины, которая определяет объем выполняемых работ. Часто архитектуры сравниваются по критерию эффективности обработки информации. Для этого, как правило, анализируют следующие параметры: S – размер программы, определяемый длиной команд, размером косвенных адресов, объемом рабочих областей для временного размещенияданных; Np – количество битов, передаваемых между процессором и памятью машины (пересылка между регистрами) за время выполнения программы, характеризующее интерфейс, т. е. "полосу пропускания" между процессором и памятью, что в значительной степени определяет предел эффективности выполнения программ. Ясно, что параметр должен учитывать и локальность ссылок, т. е. близость расположения в памяти используемых данных; NR – количество битов, передаваемых между внутренними регистрами процессора за время выполнения программы. Здесь учитываются те пересылки, которые не охватывает параметр Np. Значение NR в значительной части определяется набором функций, воплощенных в АЛУ и в схемной реализации процессора. Иногда архитектуры сравнивают лишь по параметрам S и Np, исключая параметр NR, игнорируя тем самым внутренней организацией процессора.^ 1.3. Семантический разрыв между архитектурными решениями ЭВМ и его программным окружением Все характерные особенности архитектуры большинства сегодняшних компьютеров появились уже к 1960 г. Среди них индексные регистры, регистры общего назначения, данные в форме с плавающей точкой, косвенная адресация, программные прерывания, асинхронный ввод-вывод, виртуальная память, мультипроцессорная обработка. В основном сегодняшние компьютеры отличаются от прежних лишь стоимостью, надежностью, быстродействием и элементной базой. Концептуальные возможности не претерпели существенных изменений. При анализе особенностей архитектурных решений возникают следующие вопросы: оптимальны ли на все времена архитектурные решения, предложенные в 50–60 х годах? достаточные ли изменения претерпела технологическая база (аппаратная и теоретико концептуальная), чтобы считать оправданными изменения архитектуры компьютеров? Рассмотрим архитектурные решения, базирующиеся на концепции фон Неймана, и в первую очередь различия принципов, которые лежат в основе современных языков программирования (ЯП) высокого уровня, и принципов, определяющих архитектуру ЭВМ. Этот феномен известен как семантический разрыв. Как правило, современные компьютеры имеют нежелательно большой семантический разрыв между объектами и операциями, описываемыми в ЯП, и объектами манипулирования и соответствующими операциями, реализуемыми архитектурой ВС. Обобщая, можно говорить о семантическом разрыве между архитектурой машины и средой использования. Все это порождает ряд проблем: высокая стоимость разработки ПО, его ненадежность, большой объем программ, сложность компиляторов и ОС, наличие отступлений от правил построения ЯП. Для уяснения семантического разрыва можно проанализировать взаимосвязи между каким нибудь ЯП (например, ПАСКАЛЬ, С++, DELPHI, PL/1) и архитектурой ЭВМ, скажем с архитектурными решениями наиболее распространенных у нас компьютеров фирмы IВМ, и оценить "расстояние" между принципами, положенными в основу ЯП, и соответствующими принципами, положенными в основу архитектуры ЭВМ. Попробуем сравнить несколько основополагающих принципов языка PL/1, широко используемых в ВС, с идеологией mainframe и определить адекватность их принципам, заложенным в IВМ 370.Массивы. Это наиболее часто используемый тип организации данных. PL/1 позволяет использовать многомерные массивы, обращение к отдельным элементам массива посредством индексов, операции над целыми массивами, обращение к отдельным подмассивам внутри массива, защиту от выхода за пределы соответствующего массива. В языке АДА, например, имеется возможность соединения массивов. Исследование архитектуры IВМ 370 показывает, что в ней нет средств, адекватных описываемым принципам работы с массивами, за исключением разве что примитивного подобия одного из принципов языка – использование индексных регистров. Следовательно, реализация принципа организации данных в виде массива возлагается на компилятор, в распоряжении которого имеется лишь набор команд IВМ 370, весьма далекий по своим возможностям от задач, возникающих при работе с массивами.Структуры. Это второй из часто используемых типов организации данных в виде наборов разнородных элементов данных (в некоторых ЯП называемых записями). И здесь в системе IВМ 370 отсутствуют средства, адекватные структурам и операциям над ними.Строки. В PL/1 используются строковые данные (или просто строка). Допустимые операции: слияние, выделение заданной части (подстроки), поиск строки по заданной подстроке, определение длины текущей строки, проверка присутствия одной строки в другой строке. Подобные возможности в системе команд IВМ 370 не предусмотрены. Более того, задача манипулирования строками битов (возможность, предоставляемая PL/1) осложняется еще и тем, что в IВМ 370 допускается адресация к группам из 8 бит, т. е. к байтам. И опять-таки все это надо реализовывать через компилятор, что существенно усложняет его работу.Процедуры. При вызове процедуры требуется сохранить состояние текущей процедуры, динамически назначить память для локальных переменных вызванной процедуры, передать параметры и инициализировать выполнение вызванной процедуры. Что есть в архитектуре IВМ 370? Только команда BALR (переход с возвратом). Но вклад этой команды в реализацию операций вызова процедуры настолько мал, что ее отсутствие осталось бы незамеченным. Компилятор мог бы заменить ее двумя командами: LA (загрузка адреса) и BR (переход безусловный). Ясно, что эти трудности по несоответствию принципов ЯП и архитектуры должны реализовываться за счет сложного компилятора. Важно также сравнить имеющийся семантический разрыв с частотой использования соответствующих операций, предоставляемых ЯП. Из литературы известно, что 45 % всех арифметических операторов имеют дело с массивом или элементом массива, 16 % всех выполняемых операторов языка высокого уровня – это обращение к подпрограммам процедурам, подпрограммам функциям и операторы возврата. Компилятор с ФОРТРАНА, например, тратит до 15 % своего времени на установление связей между подпрограммами. Другие исследования говорят, что 19 % всех операторов программы составляют операторы CALL, RETURN, PROCEDURE. Подобным образом можно проанализировать семантический разрыв между ЭВМ и операционной системой. В частности, понятие процесса как принципа обработки в системах параллельного действия никак не отражается в архитектуре компьютера, а все вопросы, связанные с синхронизацией процессов, решаемые через семафоры, критические секции, мониторы и передачи сообщений, не нашли своего воплощения в интерфейсе ЭВМ. Значительный разрыв существует между архитектурой ЭВМ и принципами построения программного обеспечения. Известно, например, что около 50 % всех ресурсов тратится на тестирование и отладку программ, однако архитектура ЭВМ дает ничтожные средства для этого, хотя для надежности аппаратных средств создаются весьма существенные разработки. Семантический разрыв между архитектурой и организацией памяти программисту заметить труднее. Однако такой вопрос, как разный тип адресации в зависимости от того, где хранятся данные, проанализировать достаточно просто. Действительно, для оперативной памяти осуществляется линейное смещение, добавляемое к адресу, хранимому в спецрегистре, а для данных на магнитном диске используются номер диска, цилиндра, дорожки и линейное смещение в пределах записи. То же имеем и при выполнении операции. Так, операция умножения может быть выполнена непосредственно, если оба операнда находятся в ОП, если же они на НМД, то необходимо предварительно скопировать их в оперативную память. И так как эти принципы не заложены в архитектуре, то имеющийся разрыв программистам приходится обходить при создании ЯП за счет моделирования организации памяти. Виртуальная память создает лишь иллюзию решения проблемы. Изложенные и другие проблемы семантического разрыва, не разрешенные в архитектуре ЭВМ, ухудшают надежность программного обеспечения, увеличивают непроизводительные затраты и перекладывают их разрешение на компилятор, а последний, как правило, на плечи прикладного программиста из за отсутствия удачных и оптимальных решений во время компиляции. Это, например, происходит, если идет обращение к переменной, значение которой не определено, или к элементу массива, один из индексов которого выходит за соответствующие пределы. Семантический разрыв требует для своего разрешения через компилятор значительных затрат машинного времени и памяти. Так, компилятор языка PL/1 фирмы IВМ генерирует 17 машинных команд для реализации оператораC(I,J) = A(I,J) + B(I,J), где А, В и С – массивы двоичных элементов одинакового размера в форме с фиксированной точкой. Если подсоединяется средство контроля данной операции, то компилятор генерирует уже 75 машинных команд, а время выполнения оператора вырастает в 3 раза. Такой же контроль может быть выполнен компьютером без затрат дополнительной памяти и времени, если реализовать на более быстродействующей машине аппаратный контроль. Здесь впору сказать об экономии памяти для хранения сгенерированных компилятором команд (объектного кода), а также обсудить объем пересылок между памятью и процессором. И хотя бытует мнение, что проблема "памяти" скоро исчезнет, проблема эта существует. Во-первых, из-за ее дороговизны (стоимость основной памяти микропроцессорной системы значительно превосходит стоимость процессора), а во-вторых, потребность в памяти растет пропорционально снижению ее стоимости. Все изложенное делает очевидным семантический разрыв между архитектурой компьютера и принципами, определяющими построение компиляторов. Чтобы эффективно ликвидировать существующий семантический разрыв, необходимо делать компилятор очень сложным. Естественно, существующий разрыв можно уменьшить или устранить вообще за счет усложнения архитектуры ЭВМ. Ясно, что если ЭВМ имеет не один, а несколько компиляторов и каждый из них содержит такие средства, как вызов процедур, описание массивов и т. д. (а это почти всегда так), то выгодно ликвидировать этот разрыв один раз за счет соответствующей модификации архитектуры машины, даже если других преимуществ и не будет.Семантический разрыв порождает и некорректное использование языка программирования. Так, если в PL/1 мы объявляем переменную B как DCL B DECIMAL FIXED (2), т. е. двухразрядной десятичной с фиксированной точкой, а при использовании оператора присваивания напишем В = 200, то естественно ждать сообщение об ошибке. Но его нет. И при выводе на печать значения B мы получим 200. Все дело в том, что система IBM 370 может представлять десятичные числа, имеющие только нечетное количество цифр. Чтобы при полном устранении семантического разрыва не прийти к генерированию неэффективных объектных кодов, компилятор преобразует двухразрядные десятичные переменные в трехразрядные операнды машины. Если бы мы изменили соответствующие правила языка PL/1, то язык стал бы машинно-зависимым, с ориентацией на IBM 370.Тот же вариант некорректности может возникнуть при работе с десятичными и двоичными числами, использование которых допускает язык PL/1. Программисты иногда применяют двоичные числа вместо десятичных, ибо первые занимают меньше памяти, не требуют преобразования данных, а операции над ними выполняются быстрее, чем над десятичными. Следовательно, архитектура используемого компьютера приводит к некорректному применению языка программирования. Подобные некорректности можно найти и в других ЯП. Например в языке ФОРТРАН условный оператор IF имеет три точки перехода: = 0, > 0, В языке АДА для повышения надежности программирования тоже введен ряд компромиссов и ограничений при использовании современных ЭВМ, чтобы ошибки, появляющиеся, например, из за применения в арифметических операциях несовместимых операндов или обращения за допустимое адресное пространство, было возможно выявить на стадии компиляции. Как следствие семантического разрыва – низкая производительность при проектировании программ. Создатель прикладного ПО тратит больше времени на управление памятью и пересылку данных, чем на собственную их обработку. Последние исследования показывают, что каждый 20 й оператор в PL/1 программах – это ввод и вывод информации. Совершенствование архитектуры компьютера по устранению семантического разрыва также ограничено принципами построения, например, архитектуры процессора. Так, в случае реализации параллелизма при организации процессора используются только два варианта обработки: мультипроцессорный и поточный. Причем мультипроцессорная обработка решает проблему лишь частично из за сложности выделения независимых фрагментов программы, которые можно выполнять параллельно (задача декомпозиции), трудностей синхронизации взаимодействующих процессов и перекрытия областей памяти.^ 1.4. Анализ архитектурных принципов фон Неймана Архитектурные принципы фон Нейманом формулировались примени-тельно к созданию автоматического устройства для решения дифферен-циальных уравнений. Основные характеристики архитектуры фон Неймановского типа следующие: последовательно адресуемая единственная память линейного типа для хранения программ и данных; команды и данные различаются через идентификатор неявным способом лишь при выполнении операций. Принимаемые по умолчанию соглашения типа: операнды операции умножения – это данные, а объект, на который указывает команда перехода – это команда, позволяют обращаться с командой как с данными, например, для ее модификации; назначение данных определяется лишь логикой программы, так как в памяти машины набор бит может представлять собой как десятичное число с фиксированной точкой, так и строку символов.Указанные свойства были исключительно важными для своего времени. Однако появление языков высокого уровня (ЯВУ), новых методов решения, логических способов ускорения операций, более совершенной элементной базы требует наряду с имеющимися возможностями архитектуры и принципиально новых. Среди них требования ЯВУ имеют следующие особенности: память состоит из набора дискретных именуемых переменных. Вовсе не требуется, например, чтобы память для значений переменных одной программы располагалась рядом с памятью для значений переменных другой программы. Таким образом, принцип единственной последовательной памяти имеет мало общего с организацией памяти в ЯВУ; ЯВУ наряду с линейными данными оперируют и с многомерными: массивами, структурами, списками; в ЯВУ четко разграничены операции и данные; данные определяют и операции над ними. Например, смысл операции A + C определяется описанием A и С. Cемантика операции "+" совершенно различна, например, для целых чисел и символьных переменных. Архитектура фон Неймана плохо ориентирована на выполнение программ на ЯВУ. Действительно, объем кодов, генерируемых компилятором, из за несоответствия требуемой ЯВУ и предлагаемой архитектурой организации памяти значительно превосходит необходимый объем для решения запрограммированной задачи; примитивность выполняемых операций в объектном коде требует сложной работы компилятора. К сожалению, ЯВУ имитируют в своей структуре архитектуру фон Неймановского типа: переменные – пассивное ЗУ; оператор присваивания – арифметическое устройство (АУ); последовательное выполнение операторов управления (IF, GOTO) – устройство управления (УУ). Много сложностей из за работы компьютера в двоичной системе. Как отразится на экране дисплея вводимое десятичное вещественное число? Не будет ли потерь в младшем разряде? Язык АДА, особенно беспокоящийся о точности вычислений, также не ушел от аппроксимации десятичных вещественных чисел двоичными. Общая взаимосвязь между ЯВУ и ЭВМ в зависимости от уровня языка машины может быть представлена следующей схемой (рис. 1.5). Введение программно адресуемых регистров (так называемых регистров общего назначения) существенно увеличивает количество используемых команд LOAD (загрузка в регистр) и STORE (запись в память), т. е. команд перемещения данных из регистров в память и обратно. Исследования на компьютере PDP для различных ЯВУ показывают, что 42 % всех выполняемых команд затрачивается на перемещение данных между памятью и регистрами. Имеются исследования, утверждающие, что использование кэш-памяти позволяет достичь увеличения быстродействия за счет использования регистров общего назначения.В настоящее время имеются конкретные проекты архитектур машин, ориентированные на ЯВУ: ПАСКАЛЬ, PL, ЛИСП, КОБОЛ. Однако больший интерес представляют архитектуры, ориентированные не на конкретный язык, а на общие семантические возможности некоторой группы языков. Так, архитектура машины SWARD ориентирована на языки PL/1, АДА, ФОРТРАН, КОБОЛ и некоторые другие, создавая тем самым благоприятную среду для программиста. Компьютеры фирмы Burroughs, начиная с модели B 1700, за счет вызова различных микропрограмм динамически настраиваются на язык написания выполняемой программы.Рис. 1.5. Соотношение программ на ЯВУ и машинном языке:1 – это традиционный подход. После компилирования программа переводится на машинный язык, а затем интерпретируется машиной; 2 – компиляция идет на машинный язык более высокого уровня, сокращая тем самым семантический разрыв между ЯВУ и машиной; 3 – здесь ЯВУ можно рассматривать как язык ассемблера, т. е. имеется взаимно однозначное соответствие между типами операторов и знаков операций ЯВУ с командами машинного языка. Здесь идет ассемблирование, а не компилирование, во время которого удаляются комментарии и пробелы в исходной программе, преобразуются разделители, ключевые слова и знаки операций в машинные коды, имена – в адреса полей памяти. Таким образом, многих привычных функций компилятора здесь нет. Остальная привязка программы к ЭВМ происходит перед выполнением программы; 4 – здесь машинный язык является ЯВУ и идет процесс интерпретации программы на компьютере Отметим, что разработчику архитектуры ЭВМ не следует строго ориентироваться на языки программирования, компиляторы, операционные сис-темы и другие программы, чтобы не потерять главное в архитектуре – ориентацию на современные требования задач и окружение пользователя. Необходимо искать разумный компромисс в распределении функций системы между аппаратной и программной реализацией с учетом стоимости, возможности модификации, работы на микроуровне и т. д. Необходимо помнить, что компьютер создается для эффективного выполнения программ.^ 1.5. Некоторые способы совершенствования архитектуры Архитектура компьютеров чаще всего совершенствуется за счет введения дополнительных средств. Рассмотрим некоторые из них.^ 1.5.1. Хранение информации в виде самоопределяемых данных Обычно информацию о типе хранимых в памяти данных мы узнаем из команд программы. Однако мы можем в ячейке памяти, где хранятся данные, указать и тип данных (целое, десятичное, символьное и т. д.), дополнив данные некоторым набором битов – тегом. Этот принцип организации памяти получил название теговой памяти. Наряду с типом данных в теге можно хранить и другие характеристики, например длину операнда, информацию об определении текущего значения переменной, использующего данную ячейку памяти, и т. д.Что дает тег? Известно, что в IBM 370 имеется 15 различных команд ADD, формат одной из них требует двух 4 битовых полей для указания длины обоих операндов. Использование тегов позволило бы ограничиться одной командой, а тип подлежащих сложению операндов и их длину компьютер определял бы путем анализа содержимого тегов соответствующих операндов.Расширив тег еще одним битом, мы могли бы использовать его в случае обращения к этой ячейке для незапрограммированного прерывания при возникновении определенной ситуации и переходе к процедуре ее обработки. Бывают два типа тегов: статические, содержимое которых определяется перед выполнением программы и по ходу вычислений не изменяется, и динамическое – с наполнением его содержания во время вычислений и периодическим обновлением. Вот пример типов структур элементов теговой памяти, ориентированный на языки программирования (рис. 1.6). Здесь стрелка "" разделяет тег и данные.Рис. 1.6. Типы ячеек при теговой организацииПервые четыре бита определяют тип хранимой величины: целое, число с фиксированной точкой и т. д., затем идет количество цифр, длина и т. д. Использование тегов позволяет найти некоторые ошибки. Например, может обнаружиться, что одним из операндов команды сложения является строка символов или число с плавающей точкой записывается в качестве адреса, или значение одного из операндов неизвестно и т. д. То есть идет защита типа данных.Может возникнуть ситуация, когда складываем числа с фиксированной точкой, но позиции точки в числах разные, т. е. необходимо предварительно выравнять эти позиции. Данные могут отличаться длиной или формой представления. Таким образом, возможно автоматическое преобразование данных. Теги позволяют повысить скорость обработки команд. Это происходит, во-первых, из-за того, что обычно для преобразов