Многоуровненвая компьютерная организация

Введение

Цифровой компьютер — это машина, которая может решать задачи, выполняя данные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение определенной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компьютера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед выполнением должны быть превращены в последовательность таких команд, которые обычно не сложнее чем:

· сложить 2 числа;

· проверить, не является ли число нулем;

· скопировать кусок данных из одной части памяти компьютера в другую.

Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором люди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным языком. Разработчик при создании нового компьютера должен решать, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера, от того, какие задачи он должен выполнять. Обычно стараются сделать машинные команды как можно проще, чтобы избежать сложностей при конструировании компьютера и снизить затраты на необходимую электронику. Так как большинство машинных языков очень примитивны, использовать их трудно и утомительно.

Это простое наблюдение с течением времени привело к построению ряда уровней абстракций, каждая из которых надстраивается над абстракцией более низкого уровня. Именно таким образом можно преодолеть сложности при общении с компьютером. Этот подход называется многоуровневой компьютерной организацией.

Существует огромная разница между тем, что удобно для людей, и тем, что удобно для компьютеров. Люди хотят сделать X, но компьютеры могут сделать только Y.

Языки уровни и виртуальные машины

Проблему можно решить двумя способами. Оба эти способа включают в себя разработку новых команд, которые более удобны для человека, чем встроенные машинные команды. Эти новые команды в совокупности формируют язык, который мы будем называть Я1. Встроенные машинные команды тоже формируют язык, и мы будем называть его Я0. Компьютер может выполнять только программы, написанные на его машинном языке Я0. Упомянутые два способа решения проблемы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, написанные на языке Я1.

Первый способ выполнения программы, написанной на языке Я1, — замена каждой команды на эквивалентный набор команд в языке Я0. В этом случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я0, вместо старой программы, написанной на Я1. Эта технология называется трансляцией.

Второй способ — написание программы на языке Я0, которая берет программы, написанные на языке Я1, в качестве входных данных, рассматривает каждую команду по очереди и сразу выполняет эквивалентный набор команд языка Я0. Эта технология не требует составления новой программы на Я0. Она называется интерпретацией, а программа, которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

Трансляция и интерпретация сходны. При применении обоих методов компьютер в конечном итоге выполняет набор команд на языке Я0, эквивалентных командам Я1. Различие лишь в том, что при трансляции вся программа Я1 переделывается в программу Я0, программа Я1 отбрасывается, а новая программа на Я0 загружается в память компьютера и затем выполняется.

При интерпретации каждая команда программы на Я1 перекодируется в Я0 и сразу же выполняется. В отличие от трансляции, здесь не создается новая программа на Я0, а происходит последовательная перекодировка и выполнение команд. Оба эти метода, а также их комбинация широко используются.

Обычно гораздо проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я1, чем думать о трансляции и интерпретации. Назовем такую виртуальную машину М1, а виртуальную машину с языком Я0 — М0. Чтобы трансляция и интерпретация были целесообразными, языки Я0 и Я1 не должны сильно различаться. Далее происходит создание еще одного набора команд, которые в большей степени ориентированы на человека и в меньшей степени на компьютер, чем Я1. Этот третий набор команд также формирует язык, который называется Я2, а соответствующая виртуальная машина — М2. Человек может писать программы на языке Я2, как будто виртуальная машина с машинным языком Я2 действительно существует.Такие программы могут или транслироваться на язык Я1, или выполняться интерпретатором, написанным на языке Я1. Изобретение целого ряда языков, каждый из которых более удобен для человека, чем предыдущий, может продолжаться до тех пор, пока не создается подходящий нам язык.

Таким образом, можно рассматривать компьютер в виде ряда уровней:

Рис. 1.1. Многоуровневая машина

Между языком и виртуальной машиной существует важная зависимость. У каждой машины есть какой-то определенный машинный язык, состоящий из всех команд, которые эта машина может выполнять. В сущности, машина определяет язык. Сходным образом язык определяет машину, которая может выполнять все программы, написанные на этом языке.

Компьютер с n уровнями можно рассматривать как n разных виртуальных машин, у каждой из которых есть свой машинный язык. Человеку, который пишет программы для виртуальной машины уровня n, не обязательно знать о трансляторах и интерпретаторах более низких уровней. Машина выполнит эти программы, и не важно, будут ли они выполняться шаг за шагом интерпретатором или их будет выполнять сама машина.

Современные многоуровневые машины.

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существует также, еще один уровень расположенныйо ниже уровня 0. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые являются примитивами для разработчиков компьютеров

На самом нижнем уровне, цифровом логическом уровне, объекты называются вентилями. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые средства. У каждого вентиля есть одно или несколько цифровых входных данных (сигналов, представляющих 0 или 1). Вентиль вычисляет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 бит памяти, который может содержать 0 или 1. Биты памяти, объединенные в группы, например, по 16,32 или 64, формируют регистры. Каждый регистр может содержать одно двоичное число до определенного предела.

Следующий уровень — микроархитектурный уровень. На этом уровне можно видеть совокупности 8 или 32 регистров, которые формируют локальную память и схему, называемую АЛУ (арифметико-логическое устройство). АЛУ выполняет простые арифметические операции. Регистры вместе с АЛУ формируют тракт данных, по которому поступают данные. Основная операция тракта данных состоит в следующем. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, а результат помещается в один из этих регистров. На некоторых машинах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. На других машинах тракт данных контролируется аппаратными средствами.

Второй уровень называется уровнем архитектуры системы команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает. Такие руководства содержат информацию именно об этом уровне.

Следующий уровень обычно гибридный. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры системы команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут находиться на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: набор новых команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программ одновременно и некоторые другие. Новые средства, появившиеся на третьем уровне, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды третьего уровня, идентичные командам второго уровня, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Иными словами, одна часть команд третьего уровня интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Этот уровень называется уровнем операционной системы.

Между третьим и четвертым уровнями есть существенная разница. Нижние три уровня конструируются не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально предназначены для работы интерпретаторов и трансляторов, поддерживающих более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами. Четвертый уровень представляет собой символическую форму одного из языков более низкого уровня. На этом уровне можно писать программы в приемлемой для человека форме. Эти программы сначала транслируются на язык уровня 1, 2 или 3, а затем интерпретируются соответствующей виртуальной или фактически существующей машиной. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ассемблером.

Пятый уровень обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — BASIC, С, C++, Java, LISP и Prolog. Программы, написанные на этих языках, обычно транслируются на уровень 3 или 4. Трансляторы, которые обрабатывают эти программы, называются компиляторами.

Рис. 1.2. Компьютер с 6 уровнями.

Дата добавления: 2014-01-20