Процессоры

«Мозгом» компьютера является центральный процессор (CPU — Central Processing Unit). Oн выбирает из памяти команды и выполняет их. Обычный цикл работы центрального процессора выглядит так: он читает первую команду из памяти, деко­дирует ее для определения ее типа и операндов, выполняет команду, затем считы­вает, декодирует и выполняет последующие команды. Таким образом осуществ­ляется выполнение программ.

Для каждого центрального процессора существует набор команд, который он в состоянии выполнить. Например, процессор Pentium не может обработать программы, написанные для SPARC, а процессор SPARC не может выполнить программы, написанные для Pentium. Поскольку доступ к памяти для получения команд или наборов данных занимает намного больше времени, чем выполнение этих команд, все центральные процессоры содержат внутренние регистры для хра­нения ключевых переменных и временных результатов. Поэтому набор инструк­ций обычно содержит команды для загрузки слова из памяти в регистр и сохра­нения слова из регистра в памяти. Другие команды объединяют два операнда из регистров, памяти или и того и другого и получают результат. Например, склады­вают два слова и сохраняют результат в регистре или памяти.

Кроме основных регистров, используемых для хранения переменных и времен­ных результатов, большинство компьютеров имеет несколько специальных регис­тров, видимых для программиста. Один из них называется счетчиком команд (PC, program counter), в нем содержится адрес следующей, стоящей в очереди на вы­полнение команды. После того как команда выбрана из памяти, регистр команд корректируется и указатель переходит к следующей команде.

Еще один регистр процессора называется указателем стека (SP, stack pointer). Он содержит адрес вершины стека в памяти. Стек содержит по одному фрейму (области данных) для каждой процедуры, которая уже начала выполняться, но еще не закончена. В стековом фрейме процедуры хранятся ее входные параметры, а так­же локальные и временные переменные» не хранящиеся в регистрах.

Следующий регистр называется PSW (Processor Status Word — слово состоя­ния процессора). Этот регистр содержит биты кода состояний, которые задаются командами сравнения, приоритетом центрального процессора, режимом (пользова­тельский или режим ядра), и другую служебную информацию. Обычно пользова­тельские программы могут читать весь регистр PSW целиком, но писать могут только в некоторые из его полей. Регистр PSW играет важную роль в системных вызовах и операциях ввода-вывода.

Операционная система должна знать все обо всех регистрах. При временном мультиплексировании центрального процессора операционная система часто ос­танавливает работающую программу для запуска (или перезапуска) другой. Каж­дый раз при таком прерывании операционная система должна сохранять все регистры процессора, чтобы позже, когда программа продолжит свою работу, их можно было восстановить.

В целях улучшения характеристик центральных процессоров их разработчики давно отказались от простой модели, в которой за один такт может быть считана, декодирована и выполнена только одна команда. Многие современные CPU обла­дают возможностями выполнения нескольких команд одновременно. Например, у процессора могут быть раздельные модули, занимающиеся выборкой, декодиро­ванием и выполнением команд, и во время выполнения команды с номером п он может декодировать команду с номером п + 1 и считывать команду с номером п + 2. Подобная организация процесса называется конвейером, три его стадии продемон­стрированы на рис. (а). Часто встречаются и более длинные конвейеры. В боль­шинстве конвейерных конструкций считанная команда должна быть выполнена, даже если в предыдущей команде был принят условный переход. У разработчи­ков компиляторов и операционных систем это свойство конвейеров часто вызы­вает головную боль.

Более передовым по сравнению с конвейерной конструкцией является супер­скалярный центральный процессор, продемонстрированный на рис.(6). В этой структуре присутствует множество выполняющих узлов: один для целочисленных арифметических операций, второй — для операций с плавающей точкой и еще один — для логических операций. За один такт считывается две или более коман­ды, которые декодируются и сбрасываются в буфер хранения, где они ждут своей очереди на выполнение. Когда выполняющее устройство освобождается, оно за­глядывает в буфер хранения, интересуясь, есть ли там команда, которую оно может обработать, и если да, то забирает ее и выполняет. В результате команды часто исполняются не в порядке их следования. В большинстве случаев аппаратура должная гарантировать, что результат совпадет с тем, который выдала бы последовательная конструкция. Однако, как мы увидим в дальнейшем, при этом подходе весьма неприятные усложнения коснулись и операционной системы.

Большинство центральных процессоров, кроме очень простых, используемых во встроенных системах, имеют два режима работы: режим ядра и пользователь­ский режим. Обычно режим задается битом слова состояния процессора (регистра PSW). Если процессор запущен в режиме ядра, он может выполнять все команды из набора инструкций и использовать все возможности аппаратуры. Операцион­ная система работает в режиме ядра, предоставляя доступ ко всему оборудованию.

В противоположность этому программы пользователей работают в пользова­тельском режиме, разрешающем выполнение подмножества команд и делающем доступным лишь часть аппаратных средств. Как правило, все команды, включая ввод-вывод данных и защиту памяти, запрещены и пользовательском режиме. Установка бита режима ядра в регистре PSW, естественно, недоступна.

Для связи с операционной системой пользовательская программа должна сфор­мировать системный вызов, который обеспечивает переход в режим ядра и акти­визирует функции операционной системы. Команда TRAP (эмулированное преры­вание) переключает режим работы процессора из пользовательского в режим ядра и передает управление операционной системе. После завершения работы управле­ние возвращается к пользовательской программе, к команде, следующей за систем­ным вызовом.

Память

В идеале память должна быть максимально быстрой, достаточно большой и чрезвычайно дешевой. На данный момент не существует технологий, удовлетворяющих всем этим требованиям, поэтому используется другой подход. Системы памяти конструируются в виде иерархии слоев, как показано на рисунке 1.

Верхний слой состоит из внутренних регистров центрального процессора. Они сделаны из того же материала, что и процессор, и так же быстры, как и сам процессор. Поэтому при доступе к ним обычно не возникает задержек. Внутренние регистры предоставляют возможность для хранения 32х32 бит на 32-разрядном процессоре и 64х64 бит на 64-разрядном процессоре. Это составляет меньше одного килобайта в обоих случаях. Программы сами могут управлять регистрами (то есть решать, что в них хранить) без вмешательства аппаратуры.

В следующем слое находится кэш-память, в основном контролируемая оборудованием. Оперативная память разделена на кэш-строки, обычно по 64 байт, с адресацией от 0 до 63 в нулевой строке, от 64 до 127 в первой строке и т. д. Наиболее часто используемые строки кэша хранятся в высокоскоростной кэш-памяти, расположенной внутри центрального процессора или очень близко к нему. Когда программа должна прочитать слово из памяти, кэш-микросхема проверяет, есть ли нужная строка в кэше. Если это так, то происходит результативное обращение к кэш-памяти, запрос удовлетворяется целиком из кэша и запрос к памяти на шину не выставляется. Удачное обращение к кэшу, как правило, по времени занимает около двух тактов, а неудачное приводит к обращению к памяти с существенной потерей времени.

Типичная иерархическая структура памяти. Числа приблизительные.

Далее следует оперативная память. Это главная рабочая область запоминающего устройства машины. Оперативную память часто называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство, в англоязычной литературе RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом). Все запросы центрального процессора, которые не могут быть выполнены кэш-памятью, поступают для обработки в основную память.

Следующим в продемонстрированной на рисунке структуре идет магнитный диск (жесткий диск). Дисковая память на два порядка дешевле ОЗУ в пересчете на бит и зачастую на два порядка больше по величине. У диска есть только одна проблема: случайный доступ к данным на нем занимает примерно на три порядка больше времени. Причиной низкой скорости жесткого диска является тот факт, что диск представляет собой механическую конструкцию, устройство которой пропродемонстрировано на рисунке 2.

устройство жесткого диска.

Каждая дорожка разделена на некоторое количество секторов, обычно по 512 байт на сектор. Перемещение головки от одного цилиндра к другому занимает около 1 мс, а перемещение к произвольному цилиндру требует от 5 до 10 мс. Когда головка располагается над правильной дорожкой, нужно ждать, пока двигатель повернет диск так, чтобы под головкой встал требуемый сектор. Это занимает дополнительно от 5 до 10 мс, в зависимости от скорости вращения диска. Дальше, когда сектор уже находится под головкой, процесс чтения или записи происходит со скоростью от 5 Мбайт/с до 160 Мбайт/с.

Последний слой в пирамиде памяти занимает магнитная лента. Этот носитель часто используется для создания резервных копий пространства жесткого диска или для хранения очень больших наборов данных. Для доступа к информации на ленте ее сначала нужно поместить в устройство для чтения магнитных лент — это может делать человек или робот (автоматическое управление лентами обычно используется при работе с огромными базами). Затем лента перематывается до запрашиваемого блока с информацией. Весь процесс может длиться минуты.

Кроме описанных выше видов во многих компьютерах есть небольшое количество постоянной памяти с произвольным доступом — в отличие от оперативной памяти, она не теряет свое содержимое при выключении энергии машины. ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, ROM, Read Only Memory — память только для чтения) программируется в процессе производства и после этого его содержимое нельзя изменить. Такая память достаточно быстра и дешева. На некоторых компьютерах программы начальной загрузки, используемые при запуске компьютера, находятся в ПЗУ. Кроме того, некоторые карты ввода-вывода содержат ПЗУ для управления низкоуровневыми устройствами.

Электрически стираемое ПЗУ (EEPROM, Electrically Erasable ROM) и флэш-ОЗУ (flash RAM) также энергонезависимы, но в отличие от ПЗУ их содержимое можно стереть и переписать. Однако запись данных на них требует намного больше времени, чем запись в оперативную память. Поэтому они используются точно так же, как и ПЗУ. Дополнительное преимущество электрически стираемого ПЗУ и флэш-ОЗУ состоит в том, что с их помощью теперь можно исправить ошибки, содержащиеся в программах.

Существует еще один вид памяти, называемый CMOS и являющийся энергозависимым. Во многих компьютерах CMOS-память используется для хранения текущих даты и времени. CMOS-память и часовая микросхема, отвечающая за отсчет времени, получают питание от маленького аккумулятора, поэтому компьютер всегда показывает правильное время, даже если он был выключен. CMOS также может содержать конфигурационные параметры, например указание, с какого жесткого диска производить загрузку. CMOS-память используется для этих целей, так как она потребляет настолько мало энергии, что установленный на фабрике аккумулятор часто работает в течение нескольких лет.

Теперь более внимательно рассмотрим основную часть оперативной памяти. Зачастую крайне желательно держать сложные программы в памяти целиком. Но при одновременном нахождении в памяти нескольких программ возникает необходимость решения двух следующих проблем:

1. Как защитить программы друг от друга, а ядро системы от всех них?

2. Как управлять перемещением программ в памяти?

Первая проблема достаточно очевидна, но второй вопрос требует пояснения. В процессе компилирования и компоновки программы компилятор и компоновщик не знают, в какую область физической памяти будет загружена программа после завершения процесса. По этой причине они обычно предполагают, что программа начнется с адреса 0, и помещают туда первую инструкцию. Предположим, что первая инструкция считывает из памяти слово, имеющее адрес 10 000, а вся программа и данные к ней были загружены, начиная с адреса 50 000. Тогда при выполнении первой команды появится сообщение об ошибке, поскольку она будет ссылаться на слово по адресу 10 000 вместо 60 000. Для решения этой проблемы нам нужно или «релоцировать» программу во время загрузки, то есть настроить ее, находя все адреса и изменяя их в соответствии с реальной адресацией (это выполнимо, но дорого), или оперативно изменять адресацию во время работы программы.

Простейшее решение показано на рисунке а. На рисунке видно, что компьютер оборудован двумя специальными регистрами: базовым и предельным. Когда программа начинает работать, в базовый регистр загружается адрес начала исполняемого модуля программы, а предельный регистр говорит, о том, сколько занимает исполняемый модуль программы вместе с данными. При выборке команды из памяти аппаратура проверяет счетчик команд, и если он меньше, чем предельный регистр, то добавляет к нему значение базового регистра, а сумму передает памяти. Когда программа хочет прочитать слово данных, аппаратура автоматически добавляет к этому адресу содержимое базового регистра, и передает сумму памяти. Базовый регистр дает возможность программе ссылаться на любую часть памяти, следующую за хранящимся в нем адресом. Кроме того, предельный регистр запрещает программе обращение к любой части памяти после программы. Таким образом, с помощью этой схемы решаются обе задачи: защиты и перемещения программ. Стоимость решения равна двум новым регистрам и незначительному увеличению времени, затрачиваемого на операцию (уходящего на проверку предела и суммирование).

рис. Используется одна пара база-предел. Программа имеет доступ к части памяти, находящейся между базой и пределом (а) используются две пары база-предел. Код программы находится между базой 1 и пределом 1, а данные к ней - между базой 2 и пределом 2(б).

В результате проверки и преобразования, данных адрес, сформированный программой и называемый виртуальным, переводится в адрес, используемый памятью и называемый физическим. Устройство, которое выполняет проверку и преобразование, называется устройством управления памятью или диспетчером памяти (MMU, Memory Management Unit). Диспетчер памяти располагается или в схеме процессора, или близко к ней, но логически находится между процессором и памятью.

Более сложный диспетчер памяти показан на рисунке б. Здесь диспетчер памяти состоит из двух пар базового и предельных регистров: одна пара для текста программы, другая — для данных. Командный регистр и все другие ссылки на текст программы работают с парой 1, а ссылки на данные используют пару 2. Появляется возможность делить одну и ту же программу между несколькими пользователями и при этом хранить в памяти только одну копию программы, что было невозможно в первой схеме. Когда работает программа 1, четыре регистра расположены так, как показано стрелками на рисунке 3, б слева. При работе программы 2 они располагаются так, как показано стрелками на рисунке справа. На характеристики памяти в основном влияют два аспекта.