Модели Памяти

Уровень архитектуры команд

Этот уровень расположен между микроархитектурным уровнем и уровнем операционной системы. Исторически этот уровень развился прежде всех остальных уровней и изначально был единственным. В наши дни этот уровень очень часто называют «архитектурой» машины.

Уровень архитектуры команд имеет особое значение: он является связующим звеном между программным и аппаратным обеспечением. В сущности, все разработчики считают, что нужно транслировать программы, написанные на различных языках высокого уровня, в общую промежуточную форму — на уровень архитектуры команд — и соответственно конструировать аппаратное обеспечение, которое может непосредственно выполнять программы этого уровня.

Когда появляется новая машина, первый вопрос, который задают все потенциальные покупатели

«Совместима ли машина с предыдущими версиями?». Второй вопрос: «Могу ли язапустить на ней мою старую операционную систему?» И третий вопрос: «Будут ли работать мои прикладные программы на этой машине и не потребуется ли их изменять?» Если какой-нибудь из этих вопросов получает ответ «нет», разработчики должны будут объяснить, почему.

Этот факт заставляет компьютерных разработчиков сохранять один и тот же уровень команд в разных моделях или, по крайней мере, делать его обратно совместимым.Под обратной совместимостью мы понимаем способность новой машины выполнять старые программы без изменений. Тем не менее новая машина может содержать новые команды и другие особенности, которые могут использоваться новым программным обеспечением. Разработчики должны делать уровень команд совместимым с предыдущими моделями, но они вправе творить все что угодно с аппаратным обеспечением, поскольку едва ли кого-нибудь из покупателей волнует, что собой представляет реальное аппаратное обеспечение и какие действия оно выполняет.

Во всех компьютерах память разделена на ячейки, которые имеют последовательные адреса. В настоящее время наиболее распространенный размер ячейки – 8 битов, но раньше использовались ячейки от 1 до 60 битов. Причина применения именно 8-битных байтов такова: символы ASCII кода занимают 7 битов, поэтому один символ ASCII плюс бит четности как раз подходит под размер байта. Если в будущем будет доминировать UNICODE, то ячейки памяти, возможно, будут 16-битными. Вообще говоря, число 2⁴ лучше, чем 2³, поскольку 4 — степень двойки, а 3 — нет.

Байты обычно группируются в 4-байтные (32-битные) или 8-байтные (64-битные) слова с командами для манипулирования целыми словами. Многие архитектуры требуют, чтобы слова были выровнены в своих естественных границах. Так, например, 4-байтное слово может начинаться с адреса 0,4,8 и т. д., но не с адреса 1 или 2. Точно так же слово из 8 байтов может начинаться с адреса 0,8 или 16, но не с адреса 4 или 6.

Рис. 5.2. Расположение слова из 8 байтов в памяти: (а) выровненное; (б) невыровненное.

Выравнивание адресов требуется довольно часто, поскольку при этом память работает более эффективно. Возможность считывать слова с произвольными адресами требует усложнения микросхемы, которая после этого становится больше по размеру и дороже. Разработчики были бы рады избавиться от такой микросхемы и просто потребовать, чтобы все программы обращались к словам памяти, а не к байтам. Однако на вопрос инженеров: «Кому нужно исполнение старых программ для машины 8088, которые неправильно обращаются к памяти?» последует ответ продавцов: «Нашим покупателям».

Большинство машин имеют единое линейное адресное пространство, которое простирается от адреса 0 до какого-то максимума, обычно 2³² байтов или 2⁶⁴ байтов. В некоторых машинах содержатся отдельные адресные пространства для команд и для данных, так что при вызове команды с адресом 8 и вызове данных с адресом 8 происходит обращение к разным адресным пространствам. Такая система гораздо сложнее, чем единое адресное пространство, но зато она имеет два преимущества. Во-первых, появляется возможность иметь 232 байтов для программы и дополнительные 232 байтов для данных, используя только 32-битные адреса. Во-вторых, поскольку запись всегда автоматически происходит только в пространство данных, случайная перезапись программы становится невозможной, и следовательно, устраняется один из источников программных сбоев.

Еще один аспект модели памяти — семантика памяти. Естественно ожидать, что команда LOAD, которая встречается после команды STORE и которая обращается к тому же адресу, возвратит только что сохраненное значение. Тем не менее, как указывалось ранее, во многих машинах микрокоманды переупорядочиваются.

Системные разработчики могут применять один из нескольких подходов к этой проблеме. С одной стороны, все запросы памяти могут быть упорядочены в последовательность таким образом, чтобы каждый из них завершался до того, как начнется следующий. С другой стороны, не дается вообще никаких гарантий. Чтобы сделать обращения к памяти упорядоченными, программа должна выполнить команду SYNC, которая блокирует запуск всех новых операций памяти до тех пор, пока предыдущие операции не будут завершены.