Устройство компьютера. Оперативная память, процессор, регистры процессора. Аппаратный стек

Процессор

Процессор является основой любого компьютера. Это большая микросхема, содержащая внутри себя сотни тысяч или даже миллионы элементов. Современные процессоры чрезвычайно сложны и могут содержать несколько уровней построения и описания. Так, можно различать внешние команды процессора в том виде, в котором они используются в программах и записываются в оперативной памяти, и внутренний микрокод, применяемый для реализации внешних команд. Процессор может содержать внутри себя устройства, предназначенные для ускорения работы, — конвейер команд, устройство опережающей выборки из памяти, кеш-память и т.п.

Рассмотрим лишь самые общие принципы построения и работы процессора, которые одинаковы как для примитивных, так и для самых современных процессоров.

Любой процессор имеет устройство, выполняющее команды, и собственную внутреннюю память, реализованную внутри микросхемы процессора. Она называется регистрами процессора. Имеется 3 типа регистров:

• общие регистры хранят целые числа или адреса. Размер общего регистра совпадает с размером машинного слова и в 32-разрядной архитектуре равен четырем байтам. Число общих регистров и их назначение зависит от конкретного процессора. В большинстве Ассемблеров к ним можно обращаться по именам R0, R1, R2, ...Среди общих регистров имеются регистры специального назначения: указатель стека SP (Stack Pointer), счетчик команд PC (Program Counter) и др.;
• регистр флагов содержит биты, которые устанавливаются в единицу или в ноль в зависимости от результата выполнения последней команды. Так, бит Z устанавливается в единицу, если результат равен нулю (Zero), бит N — если результат отрицательный (Negative), бит V — если произошло переполнение (oVerflow), бит С - если произошел перенос единицы из старшего или младшего разряда (Carry), например, при сложении двух целых чисел или при сдвиге. Значения битов в регистре флагов используются в командах условных переходов;
• плавающие регистры содержат вещественные числа. В простых процессорах аппаратная поддержка арифметики вещественных чисел может отсутствовать. В этом случае плавающих регистров нет, а операции с вещественными числами реализуются программным путем.

Команды, или инструкции, процессора состоят из кода операции и операндов. Команда может вообще не иметь операндов или иметь один, два, три операнда. Команды с числом операндов большим трех встречаются лишь в процессорах специального назначения (служащих, например, для обработки сигналов) и в обычных архитектурах не используются. Чаще всего применяются двухадресные и трехадресные архитектуры: к двухадресным относятся, к примеру, все процессоры серии Intel 80x86, к трехадресным — серии Motorola 68000. В двухадресной архитектуре команда сложения выглядит следующим образом:

add X, Y

что означает

X := X + Y,

т.е. один из аргументов команды является одновременно и ее результатом. Этот аргумент называется получателем (destination). Аргумент, который не меняется в результате выполнения команды, называется источником (source). Среди программистов нет единого мнения о том, в каком порядке записывать аргументы при использовании Ассемблера, т.е. в символической записи машинных команд. Например, в Ассемблере "masm" фирмы IBM для процессоров Intel 80x86 получатель всегда записывается первым, а источник вторым. Ассемблер "masm" используется в операционных системах MS DOS и Windows. В Ассемблере "as", который входит в состав компилятора "gcc" и используется в системах типа Unix (Linux и т.п.), получатель всегда является последним аргументом. Та же команда сложения записывается в "as" как

add Y, X

что означает сложить Y и X и результат записать в X.

В трехадресной архитектуре команда сложения имеет 3 операнда:

add X, Y, Z

Получателем в трехадресной архитектуре обычно является третий аргумент, т.е. в данном случае сумма X+Y записывается в Z.

Операндами команды могут быть регистры или элементы памяти. В действительности, конечно, процессор всегда сначала копирует слово из памяти в регистр, который может быть либо явно указан в команде, либо использоваться неявно. Операция всегда выполняется с содержимым регистров. После этого результат может быть записан в память либо оставлен в регистре. Например, при выполнении команды увеличения целого числа на единицу

inc X

в случае, когда операнд X является словом оперативной памяти, содержимое слова X сначала неявно копируется во внутренний регистр процессора, затем выполняется его увеличение на единицу, и после этого увеличенное значение записывается обратно в память.

Имеется несколько способов задания операнда, находящегося в оперативной памяти, они называются режимами адресации. Это

• абсолютная адресация - когда в команде указывается константа, равная адресу аргумента;
• косвенная адресация - когда в команде указывается регистр, содержащий адрес аргумента;
• относительная адресация - адрес аргумента равен сумме содержимого регистра и константы, задающей смещение;
• индексная адресация с масштабированием - адрес аргумента равен сумме содержимого базового регистра, константы, задающей смещение, а также содержимого индексного регистра, умноженного на масштабирующий множитель. Масштабирующий множитель может принимать значения 1, 2, 4, 8. Этот режим удобен для обращения к элементу массива.

Бывают и другие, более изощренные, режимы адресации, когда, например, адрес аргумента содержится в слове, адрес которого содержится в регистре (так называемая двойная косвенность).

CISC и RISC-процессоры

Существует два подхода к конструированию процессоров. Первый состоит в том, чтобы придумать как можно больше разных команд и предусмотреть как можно больше разных режимов адресации. Процессоры такого типа называются CISC-процессорами, от слов Сomplex Instruction Set Computers. Это, в частности, Intel 80x86 и Motorola 68000. Противоположный подход состоит в том, чтобы реализовать лишь минимальное множество команд и режимов адресации, процессоры такого типа называются RISC-процессорами, от слов Reduced Instruction Set Computers. Примеры RISC-процессоров: DEC Alpha, Power PC, Intel Itanium.

Казалось бы, CISC-процессоры должны иметь преимущество перед RISC-процессорами, но на самом деле все обстоит строго наоборот. Дело в том, что простота набора команд процессора облегчает его конструирование, в результате чего удается достичь следующих целей:

1. все команды выполняются исключительно быстро, причем за одинаковое время, т.е. за фиксированное число тактов работы процессора;
2. значительно поднимается тактовая частота процессора;
3. намного увеличивается количество регистров процессора и объем кеш-памяти;
4. удается добиться ортогональности режимов адресации, набора команд и набора регистров. Это означает, что нет каких-либо выделенных регистров или режимов адресации: в любых (или почти любых) командах можно использовать произвольные регистры и режимы адресации независимо друг от друга. Следует отметить, что к памяти могут обращаться лишь команды загрузки слова из памяти в регистр и записи из регистра в память, а все арифметические команды работают только с регистрами;
5. простота команд позволяет эффективно организовать их выполнение в конвейере (pipeline), что значительно ускоряет работу программы.

Пункты 3 и 4 по достоинству оценят те, кому пришлось программировать на Ассемблере Intel 80x86, имеющем ряд ограничений на использование регистров и режимы адресации, к тому же и регистров в нем очень мало.

RISC-архитектуры обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с CISC-архитектурами — быстродействием, низкой стоимостью, удобством программирования и т.д. — и практически не имеют недостатков. Существование CISC-процессоров в большинстве случаев объясняется лишь традицией и требованием совместимости со старым программным обеспечением. Впрочем, существует и третий вариант — процессоры, которые по сути являются RISC-процессорами, но эмулируют внешнюю систему команд устаревших процессоров, например, современные процессоры Intel Pentium.

Алгоритм работы компьютера

Среди всех регистров процессора в любой архитектуре всегда имеется два выделенных регистра: это регистр PC, что означает Program Counter, по-русски его называют счетчиком команд, и регистр SP — Stack Pointer, т.е. указатель стека. Иногда регистр PC обозначают как IP, что означает Instruction Pointer, указатель инструкции. (Команды процессора часто называют инструкциями.)

В фон-Неймановской архитектуре, по которой построены все современные компьютеры, программа, состоящая из машинных команд, содержится в оперативной памяти. Регистр PC всегда содержит адрес команды, которая будет выполняться на следующем шаге. Алгоритм работы процессора выглядит следующим образом:

цикл до бесконечности выполнять
    | прочесть команду с адресом PC из оперативной памяти;
    | увеличить содержимое PC на длину прочитанной команды;
    | выполнить прочитанную команду;
    конец цикла

В простейшем случае, когда выполняется линейный участок программы, команды выбираются из памяти и выполняются последовательно, а содержимое регистра PC монотонно возрастает. Выполнение команды, однако, может приводить к изменению регистра PC. Таким образом организуются безусловные и условные переходы в программе, нарушающие последовательный порядок выполнения команд. С помощью команд условных и безусловных переходов реализуются конструкции ветвления и цикла. Команда перехода представляет собой либо прибавление константы к содержимому PC (константа может быть положительной или отрицательной), либо загрузку в PC адреса элемента памяти со всеми возможными режимами адресации. Первый способ используется для реализации переходов внутри подпрограммы (внутри функции в терминах языка Си), второй -- для перехода к подпрограмме. Впрочем, гораздо чаще в последнем случае используется команда call вызова подпрограммы, которая дополнительно запоминает точку возврата в регистре или в аппаратном стеке.