Модели вычислений

Модификации традиционной архитектуры

После того, как выяснилось, что традиционная архитектура препятствует повышению производительности, она стала изменяться. Ниже приведены самые распространенные ее модификации:

1. Вводятся ячейки внутри процессора со специальной адресацией, не требующие обращения к памяти. С их помощью можно уменьшать адресность команд машины, передавать промежуточные результаты вычислений от команды к команде, выполнять иные локальные действия. Они называются быстрыми регистрами процессора.
2. Появляются команды, кодирующие довольно сложные действия над операндами.
3. Процессор снабжается памятью для команд ( кэш команд ) и для данных ( кэш данных ). Кэш команд заполняется одновременно с выполнением текущей команды теми командами, которые, как кажется процессору, будут выполняться после текущей. В кэш данных дублируются значения, которые, как кажется процессору, будут операндами следующих команд.
4. Память разбивается по уровням доступа: регистры процессора; область быстрого доступа с непосредственной адресацией; область, адресация которой требует предварительного указания некоторого сегмента, ячейки которого адресуются непосредственно, и т. д.

Полезность подобных модификаций очевидна. Но кэширование, прочие изменения классической канонической модели, и даже многопроцессорность, - это лишь полумеры, позволяющие расширить, но никак не ликвидировать узкое место.

Внимание!

Важным следствием традиционной структуры компьютера является следующее: в машинной программе все действия и условия локальны.

Для повышения эффективности в оборудовании порой отказываются от принципа однородности памяти. Упомянем две архитектурные модификации традиционной машины.

В некоторых (в первую очередь специализированных) машинах предусмотрено явное выделение в памяти областей данных и областей команд. В обычном режиме выполнения программ процессору не разрешается записывать что-либо в область команд, в результате повышается надежность программ. Для записи чего-либо в область команд нужно аппаратно включить соответствующий режим ^{4Частичным аналогом этого может служить BIOS в общераспространенных персональных компьютерах.}.

Но разделение между командами и данными достаточно грубое. Полезно рассмотреть архитектуру, в которой предлагается так называемое тегирование. Смысл его заключается в том, что в ячейках (основной памяти) выделены специальные разряды, именуемые тегом, которые указывают тип хранимого в остальной части значения (см. рис. 2.2).

Рис. 2.2. Структура ячейки при тегировании

Тегирование, реализованное аппаратно, дает следующие преимущества.

• На аппаратном уровне происходит дополнительный контроль корректности вычислений и улучшается диагностика ошибок.
• Элементарные операции становятся более адекватными данным (например, сложение модифицируется в соответствии с типами операндов: целые, действительные, ссылки). Время выполнения программ сокращается по сравнению с традиционными машинами соответствующей мощности.

В языковых терминах тегирование выражается как динамическая (определяемая при выполнении программы) типизация данных. В этом отношении тегирование в аппаратуре лет на десять опередило первые экспериментальные попытки динамической типизации в языках программирования. Сейчас динамическая типизация, с логической точки зрения полностью аналогичная тегированию, является одним из инструментов объектно-ориентированного программирования.

В языке C тегированное данное соответствует описанию структуры, подобному этому:

struct tagged
{
 int type_tag;
 union
 {
  int x;
  float y;
 }
}

В языке Pascal тегированная ячейка может быть представлена следующей вариантной структурой:

record
case tag : Boolean of
 true: (i :integer);
 false: (r :real)
end;

Тегирование великолепно сочетается со структурным программированием, и поэтому практически всегда используется вместе с модификацией адресации и структуры памяти, называемой стековой архитектурой. При реализации языков высокого уровня на современных системах программирования практически всегда создается структура контекстов.

В стековой архитектуре машины уже физическая память организована как структурированный стек контекстов (см. рис. 2.3).

Рис. 2.3. Стек и контексты

Стек растет вниз. Нынешний контекст назван Контекст 0. Самая нижняя единица в стеке - текущий результат. Стек структурирован как стек стеков. Каждый подстек включает данные для блока программы. Таким образом, каждый из подстеков задает контекст для вычислений в соответствующем блоке. В начале каждого подстека находится его маркер, который содержит всю необходимую служебную информацию о подстеке, в частности ссылку на предыдущий маркер.

Для абстрактного вычислителя со стеком в начале обработки каждой конструкции нужно запомнить в стеке текущий экземпляр состояния контекста. Далее можно выполнять обычные действия по вычислению конструкции.

Стековая архитектура была воплощена в системах команд машин серий Barroughs и Эльбрус. Они прекрасно зарекомендовали себя как машины для сложных ответственных вычислений, но не выдержали конкуренции с армадой PC, задавивших их числом и дешевизной.

Есть и противоположное направление развития аппаратуры. В машинах с так называемой RISC-архитектурой машинные команды исключительно просты, но в полупостоянной части оперативной памяти заложены подпрограммы для команд `нормального' или даже `высокого' уровня, так что в принципе RISC-процессор может в зависимости от режима эмулировать^{5 Эмуляция - программное моделирование некоторых особенностей вычислительной системы, реализованное таким образом, что оно невидимо не только для пользователя, но и для обычного программиста.} машины разной архитектуры. Например, такая система была использована в машинах знаменитой серии Power PC - Power Mac, которые могли выступать для пользователя и программиста и как PC, и как Macintosh. Эта серия потерпела коммерческую неудачу скорее из-за ошибок в продвижении на рынок, чем из-за отсутствия реальных достоинств.