21.3. Контрольные вопросы
1. Упрощённая структура шин первых IBM PC.
2. Эволюция шин расширения IBM PC.
3. Упрощённая схема подключения локальной шины.
4. Локальная шина PCI.
5. Упрощённая структура шин IBM PC.
6. Функциональная схема чипсета GeForce 9300/9400.
7. Функциональная схема чипсета AMD 890FX.
8. Блок-схема функциональных возможностей чипсета Intel Z68.
Тема 16. Некоторые вопросы развития архитектуры эвм Лекция 22
Ранее отмечалось, что в процессе эволюции классическая структура ЭВМ претерпела некоторые изменения, в частности, изменилось устройство памяти, организация которого стала иерархической. Однако это далеко не все изменения, которые произошли с классической пятиблочной структурой ЭВМ и ее основными принципами функционирования, сформулированными фон Нейманом.
Ниже очень коротко рассматриваются некоторые элементы архитектуры современных ЭВМ четвертого поколения, которые выходят за рамки классических структур и принципов функционирования первых ЭВМ различных классов. Материал раздела, по возможности, иллюстрируется примерами построения упрощенных элементов вычислительных устройств на базе процессора I80386, структуры которых достаточно прозрачны.
22.1. Теги и дескрипторы. Самоопределяемые данные
Одним из эффективных средств совершенствования архитектуры современных ЭВМ является теговая организация памяти, при которой каждое хранящееся в памяти или регистре слово снабжается тегом. Тег определяет тип данных – целое число, ЧПЗ, десятичное число, адрес, строку символов, дескриптор и т.д. В поле тега обычно указывают не только тип, но и длину (формат) и некоторые другие его параметры. Теги формируются компилятором. Формат данных, хранимых в памяти, при этом имеет вид, изображенный на рис. 22.1.
Рис.22.1. Теговая организация памяти
Наличие тегов придает хранящимся в машине данным свойство самоопределяемости. Это принципиальная особенность в функционировании ЭВМ.
Следует отметить, что ЭВМ с теговой памятью выходят за рамки модели вычислительной машины фон Неймана именно в результате самоопределяемости данных. Классическая модель фон Неймана исходит из того, что тип (характер) данного, хранящегося в памяти, определяется только в контексте выполнения программы, а точнее, команды, использующей данное в качестве операнда. В обычных ЭВМ, соответствующих классической модели фон Неймана, тип данных-операндов и их формат задаются кодом операции команды, а в ряде случаев размер (формат) операндов определяется специальными полями команды.
Например, в IBM-360/370 команда десятичное сложение самим своим кодом операции определяла, что адресуемые ею операнды являются десятичными числами. Специальные четырехразрядные поля в этой команде задавали число десятичных цифр в 1-м и 2-м операндах. Таким образом, в IBM-360/370 имелось 256 кодов только одной команды десятичное сложение.
Теговая организация памяти позволяет достигнуть инвариантности команд относительно типов и форматов операндов, что приводит к значительному сокращению набора команд машины. Это упрощает и делает более регулярной структуру процессора. Кроме того, такая организация памяти дает еще ряд преимуществ, а именно:
облегчает работу программиста, в том числе при отладке программ;
сокращает затраты времени на компиляцию (отпадает необходимость выбора типа команды в зависимости от типа данных);
облегчает обнаружение ошибок, связанных с некорректным заданием типа данных (например, при попытке сложить адрес с ЧПЗ).
Теговая организация памяти способствует реализации принципа независимости программ от данных.
И, наконец, нечто неожиданное. Использование тегов приводит к экономии памяти, несмотря на удлинение формата данных. Это объясняется тем, что в программах обычных машин имеется большая информационная избыточность на задание типов и размеров операндов при их использовании несколькими командами.
К недостаткам такой организации памяти можно отнести некоторое замедление работы процессора из-за того, что установление соответствия типа команды типу данных в обычных ЭВМ выполняется на этапе компиляции, а при использовании тегов переносится на этап выполнения программы.
В архитектуре современных ЭВМ широко используются также дескрипторы – служебные слова, содержащие описания массивов данных и команд. Дескрипторы могут употребляться как в машинах с теговой организацией памяти (например, ЭВМ "Эльбрус"), так и без тегов (например, компьютеры фирмы IBM на процессорах I80286 и старше). В последнем случае достигается ограниченная самоопределяемость данных.
Дескриптор содержит сведения о размере массива данных, его местоположении (в ОП или ВП), адресе начала массива, типе данных, режиме защиты данных (например, запрет записи в ячейки массива) и некоторых других параметрах данных, которые позволяют упростить работу с массивами. Так, задание в дескрипторе размера массива позволяет контролировать выход за его границу при индексации его элементов.
В качестве примера рассмотрим один из видов дескрипторов – дескриптор данных в машине B6700 фирмы Burroughs (рис. 22.2).
Рис.22.2. Дескриптор данных ЭВМ B6700 Burroughs, TDc – тег дескриптора
Дескриптор содержит специфический тег TDc, указывающий, что данное слово является дескриптором определенного вида, группу указателей и два поля A и L/X. Поле A указывает адрес начала массива данных. В зависимости от значения указателя I дескриптор описывает массив данных (I = 0)– и в соответствующее поле помещается длина массива L, или описывает элемент массива (I = 1)– и тогда в поле находится индекс X. Этот индекс указывает смещение элемента относительно начала массива. Указатель P определяет, находится массив в оперативной памяти или ВП, т.е. его можно назвать "Указатель присутствия". В последнем случае (нахождение в ВП) поле A указывает местоположение массива во внешней памяти. Остальные указатели имеют следующий смысл:
D – одинарная или двойная точность представления данных;
T – описывается слово или строка;
R = 1 – данные можно только читать;
S – указывает на непрерывное или фрагментарное расположение массива в памяти;
C – определяет, является ли дескриптор копией другого дескриптора.
Процессоры фирмы Intel, начиная с модели I80386, снабжены средствами, позволяющими реализовать механизм разделения логического адресного пространства памяти на страницы (4 Кбайт) и сегменты разного размера (сегменты программ, данных, системные сегменты и т.д.). Более подробно этот вопрос обсуждается в п. 16.4. Все сегменты рассматриваются как массивы, и для их описания и адресации используются дескрипторы. Каждая задача может иметь системное и индивидуальное логическое адресное пространство. Эти пространства описываются соответственно глобальной (GDT) и локальной (LDT) таблицами дескрипторов сегментов, каждая из которых может содержать максимум 8192 дескриптора. На рис. 22.3 представлен формат дескрипторов сегмента программ и сегмента данных процессора I80386.
Рис.22.3. Формат дескрипторов сегментов программ и данных процессора I80386
Назначение полей дескриптора приведено на рис. 22.3, однако необходимо сделать некоторые пояснения:
"16-разрядный режим" – это режим полной эмуляции процессора I80286.
"Базовый адрес" – 32-битное поле (из трех фрагментов), определяющее положение сегмента в адресном пространстве 4 Гбайт.
"Предел" – 20-битное поле (из двух фрагментов), определяющее размер сегмента. В зависимости от значения бита гранулярности G предел вычисляется либо в байтах (G = 0), либо в страницах по 4 Кбайта (G = 1). В первом случае размер сегмента не превышает 1 Мбайт, во втором – может достигать 4 Гбайт.
Использование в архитектуре ЭВМ дескрипторов подразумевает, что обращение к информации в памяти производится через дескрипторы, которые при этом можно рассматривать как дальнейшее развитие аппарата косвенной адресации. Адресация информации в памяти может осуществляться с помощью цепочки дескрипторов. При этом реализуется многоступенчатая косвенная адресация. Более того, сложные многомерные массивы данных (таблицы и т.п.) эффективно описываются древовидными структурами дескрипторов. Это можно проиллюстрировать упрощенной схемой на рис. 22.4.
Рис.22.4. Описание двумерного массива данных древовидной структурой дескрипторов
Термины "тег" и "дескриптор" достаточно широко используются в технической литературе при обсуждении вопросов организации ЭВМ и вычислительных процессов. Однако трактовка этих терминов во многих случаях достаточно неоднозначна, особенно в технических описаниях конкретных процессоров и ЭВМ различных производителей, поэтому необходимо всегда учитывать контекст, в котором используются указанные термины.