Глава 3. Программная модель процессора

 

Общие понятия

Программная модель процессора – это базовая совокупность систем и характеристик процессора, видимая программистам, работающим на нижних, “машинных” уровнях программирования, например, на языке ассемблере.

Обычно к программной модели процессора относят:

· виды используемых структур памяти по принципам размещения и поиска информации,

· организацию оперативной памяти,

· структуру и типы команд,

· состав программно-доступных регистров,

· режимы адресации,

· структуру и типы данных,

· наборы реализованных операций.

Кроме этого в программную модель включают ряд схемно-программных систем, видимых программистам, работающим на нижних уровнях программирования.

Это:

· система прерывания,

· организация ввода/вывода,

· организация памяти.

Вопросы для самопроверки:

1. Понятие "программная модель процессора".

2. Компоненты "программной модели процессора".

 

Виды используемых структур памяти по принципам размещения и поиска информации

В традиционных ЭВМ используется иерархическая система памяти. Непосредственно в процессоре могут быть интегрированы регистры общего назначения (РОНы), первые ступени кэш-памяти, дополнительные устройства памяти, иногда – программно недоступные. Это устройства сохранения адресов возврата, аппаратные таблицы переадресации, буферы предсказаний ветвлений и т.д.

Основной памятью, на работу с которой ориентирован процессор, является оперативная память. Остальные системы памяти для процессора, как правило, являются внешними устройствами.

Особый статус имеют уровни кэш-памяти. Это элементы системы “оперативная память – процессор”.

По принципам размещения и поиска информации устройства оперативной памяти разделяются на: адресные, ассоциативные и стековые.

Адресная память.

В адресных устройствах памяти массив элементов хранения информации разбивается на отдельные нумерованные последовательности. Номер конкретной последовательности является ее адресом, по которому происходит обращение для записи или чтения информации. Это модель плоской (двухкоординатной) памяти. Иногда используются наборы плоских устройств памяти для получения структурированных систем памяти.

Обычно для хранения информации в ЭВМ используются двоичные элементы (хранимые значения – биты), а минимально адресуемой последовательностью бит является байт. Байт – это количество бит (1 байт = 8 битам), необходимое для кодирования символов в используемых стандартных кодах.

Байты укрупняются в слова. Для РС и мини-ЭВМ слово – это два байта, для полноразрядных ЭВМ корпорации IBM – четыре байта. В качестве программных объектов могут использоваться биты, байты, слова и более крупные объекты, кратные двоичной степени байта.

Ассоциативная память.

В ассоциативных системах памяти массив элементов хранения информации, как и в адресных системах, разбивается на отдельные последовательности, но нумерация последовательности необязательна.

Кроме функций записи и хранения, в таких системах памяти аппаратно реализуются функции ассоциативного поиска информации. В простейшем случае – это поиск информации по совпадению входного “эталона” – ключа с частью последовательности хранимой информации. Результаты ассоциативного поиска используются в операциях чтения или записи для поиска искомых строк данных.

Ассоциативный поиск реализуется сравнением входной информации со всеми хранимыми объектами (байтами, словами и т.д.).

Ассоциативный поиск может быть реализован чисто программно последовательным перебором ячеек в обычной адресной памяти с последовательным сравнением ключа с хранимой в памяти информацией.

В ассоциативной памяти поиск реализуется аппаратно путем параллельного сравнения слова-ключа со всеми записанными словами. Для этого каждый набор элементов хранения программных объектов дополняется схемами сравнения.

Части хранимой информации, по которым производится ассоциативный поиск, могут быть выделены в отдельный блок (блок тегов) или задаваться схемами маскирования в блоке хранения информации.

Стековая память.

Стековая память – это список со стратегией работы “последний вошел – первый вышел”. Стековая память обычно реализуется на основе обычной линейной адресной памяти с использованием специального регистра – указателя стека (SP). Для стековой памяти определены две операции: занесение единицы данных в стек и удаление единицы данных из стека. При занесении в стек объекта, например слова, содержимое указателя стека уменьшают на длину объекта и результат используют в качестве адреса записи. При удалении объекта из стека производят чтение из вершины стека, а затем осуществляют корректировку указателя стека: увеличивают содержимое SP на длину удаляемого объекта. Это вариант стека с распространением (при заполнении) в сторону уменьшения адресов. Возможен симметричный вариант стека с распространением в сторону увеличения адресов.

Стек может использоваться в аппаратных процедурах, например для сохранения контекста программ в процедурах передачи управления на подпрограммы (включая программы обработки прерываний) и возврата из подпрограмм.

Для программной работы со стеком используются или специальные команды, или режимы адресации.