Поток управления

Поток управления — это последовательность, в которой команды выполняются динамически, то есть во время работы программы. При отсутствии переходов и вызовов процедур команды вызываются из последовательных ячеек памяти. Вызов процедуры влечет за собой изменение потока управления, выполняемая в данный момент процедура останавливается, и начинается выполнение вызванной процедуры. Сопрограммы связаны с процедурами и вызывают сходные изменения в потоке управления. Они нужны для моделирования параллельных процессов. Ловушки (traps) и прерывания тоже меняют поток управления при возникновении определенных ситуаций.

Последовательный поток управления и переходы

Большинство команд не меняют поток управления. После выполнения одной команды вызывается и выполняется та команда, которая идет вслед за ней в памяти. После выполнения каждой команды счетчик команд увеличивается на число, соответствующее длине команды. Счетчик команд представляет собой линейную функцию от времени, которая увеличивается на среднюю длину команды за средний промежуток времени. Иными словами, процессор выполняет команды в том же порядке, в котором они появляются в листинге программы.

Если программа содержит переходы, то это простое соотношение между порядком расположения команд в памяти и порядком их выполнения больше не соответствует действительности. При наличии переходов счетчик команд больше не является монотонно возрастающей функцией от времени.

Процедуры

Самым важным способом структурирования программ является процедура. С одной стороны, вызов процедуры, как и команда перехода, изменяет поток управления, но в отличие от команды перехода после выполнения задачи управление возвращается к команде, которая вызвала процедуру.

С другой стороны, тело процедуры можно рассматривать как определение новой команды на более высоком уровне. С этой точки зрения вызов процедуры можно считать отдельной командой, даже если процедура очень сложная. Чтобы понять часть программы, содержащую вызов процедуры, нужно знать, что она делает и как она это делает.

Особый интерес представляет рекурсивная процедура. Это такая процедура, которая вызывает сама себя либо непосредственно, либо через цепочку других процедур. Изучение рекурсивных процедур дает значительное понимание того, как реализуются вызовы процедур и что в действительности представляют собой локальные переменные.

Для рекурсивных процедур нам нужен стек, чтобы хранить параметры и локальные переменные для каждого вызова, как и в IJVM. Каждый раз при вызове процедуры на вершине стека новый стековый фрейм для процедуры. Текущий фрейм — это тот фрейм, который был создан последним. В наших примерах стек растет снизу вверх от малых адресов к большим, как и в IJVM.

Помимо указателя стека, который указывает на вершину стека, удобно иметь указатель фрейма (FP — Frame Pointer), который указывает на фиксированное место во фрейме. Он может указывать на связующий указатель, как в IJVM, или на первую локальную переменную.

Первое, что должна сделать процедура после того, как ее вызвали, — это сохранить предыдущее значение FP (так, чтобы его можно было восстановить при выходе из процедуры), скопировать значение SP (Stack Pointer – указатель стека) в FP и, возможно, увеличить на одно слово, в зависимости от того, куда указывает FP нового фрейма.

Разные машины оперируют с указателем фрейма немного поразному, иногда помещая его в самый низ стекового фрейма, иногда — в вершину, а иногда — в середину, но в любом случае обязательно должна быть возможность выйти из процедуры и восстановить предыдущее состояние стека.

Код, который сохраняет старый указатель фрейма, устанавливает новый указатель фрейма и увеличивает указатель стека, чтобы зарезервировать пространство для локальных переменных, называется прологом процедуры. При выходе из процедуры стек должен быть очищен, и этот процесс называется эпилогом процедуры. Одна из важнейших характеристик компьютера — насколько быстро он может совершать пролог и эпилог. Если они очень длинные и выполняются медленно, делать вызовы процедур будет невыгодно.

Сопрограммы

В обычной последовательности вызовов существует четкое различие между вызывающей процедурой и вызываемой процедурой. Рассмотрим процедуру А, которая вызывает процедуру В.

Процедура В работает какое-то время, затем возвращается к А. На первый взгляд может показаться, что эти ситуации симметричны, поскольку ни А, ни В не являются главной программой. Различие состоит в том, что когда управление переходит от А к В, процедура В начинает выполняться с самого начала; а при переходе из В обратно в А выполнение начинается не с начала процедуры А, а с того момента, за которым последовал вызов процедуры В.

Это различие отражается в способе передачи управления между А и В. Когда А вызывает В, она использует команду вызова процедуры, которая помещает адрес возврата (то есть адрес того выражения, которое последует за процедурой) в такое место, откуда его потом легко будет вытащить, например в вершину стека. Затем она помещает адрес процедуры В в счетчик команд, чтобы завершить вызов. Для выхода из процедуры В используется не команда вызова процедуры, а команда выхода из процедуры, которая просто выталкивает адрес возврата из стека и помещает его в счетчик команд.

Иногда нужно иметь две процедуры А и В, каждая из которых вызывает другую в качестве процедуры. При возврате из В к А процедура В совершает переход к тому оператору, за которым последовал вызов процедуры В. Когда процедура А передает управление процедуре В, она возвращается не к самому началу В (за исключением первого раза), а к тому месту, на котором произошел предыдущий вызов А. Две процедуры, работающие подобным образом, называются сопрограммами.

Сопрограммы обычно используются для того, чтобы производить параллельную обработку данных на одном процессоре. Каждая сопрограмма работает как бы параллельно с другими сопрограммами, как будто у нее есть собственный процессор.

Ловушки

Ловушка (trap) — это особый тип вызова процедуры, который происходит при определенном условии. Обычно это очень важное, но редко встречающееся условие. Один из примеров такого условия — переполнение. В большинстве процессоров, если результат выполнения арифметической операции превышает самое большое допустимое число, срабатывает ловушка. Это значит, что поток управления переходит в какую-то фиксированную ячейку памяти, а не продолжается последовательно дальше. В этой фиксированной ячейке находится команда перехода к специальной процедуре (обработчику системных прерываний), которая выполняет какое-либо определенное действие, например печатает сообщение об ошибке. Если результат операции находится в пределах допустимого, ловушка не задействуется.

Важно то, что этот вид прерывания вызывается каким-то исключительным условием, вызванным самой программой и обнаруженным аппаратным обеспечением или микропрограммой.

Ловушку можно реализовать путем открытой проверки, выполняемой микропрограммой (или аппаратным обеспечением). Если обнаружено переполнение, адрес ловушки загружается в счетчик команд. То, что является ловушкой на одном уровне, может находиться под контролем программы на более низком уровне.

Наиболее распространенные условия, которые могут вызывать ловушки, — это переполнение и исчезновение значащих разрядов при операциях с плавающей точкой, переполнение при операциях с целыми числами, нарушения защиты, неопределяемый код операции, переполнение стека, попытка запустить несуществующее устройство ввода-вывода, попытка вызвать слово из ячейки с нечетным адресом и деление на 0.

Прерывания

Прерывания — это изменения в потоке управления, вызванные не самой программой, а чем-либо другим и обычно связанные с процессом ввода-вывода. Например, программа может приказать диску начать передачу информации и заставить диск произвести прерывание, как только передача данных завершится. Как и ловушка, прерывание останавливает работу программы и передает управление программе обработки прерываний, которая выполняет какое-то определенное действие. После завершения этого действия программа обработки прерываний передает управление прерванной программе.

Различие между ловушками и прерываниями в следующем: ловушки синхронны с программой, а прерывания асинхронны. Если программа перезапускается много раз с одним и тем же материалом на входе, ловушки каждый раз будут происходить в одном и том же месте, а прерывания могут меняться в зависимости от того, в какой момент человек нажимает возврат каретки. Причина воспроизводимости ловушек и невоспроизводимости прерываний состоит в том, что первые вызываются непосредственно самой программой, а прерывания вызываются программой косвенно.

С прерываниями связано важное понятие прозрачности. Когда происходит прерывание, производятся какие-либо действия и запускаются какие-либо программы, но когда все закончено, компьютер должен вернуться точно в то же состояние, в котором он находился до прерывания. Программа обработки прерываний, обладающая таким свойством, называется прозрачной.

Дата добавления: 2014-01-20