|
Читайте также: |
В ранних компьютерах поддерживались небольшие наборы инструкций, поскольку они основывались на минимальном числе дорогостоящих схем. По мере удешевления аппаратных средств появилось искушение введения более сложных инструкций, таких как инструкция условного перехода; инструкция, увеличивающая значение операнда, сравнивающая его со значением другого операнда и осуществляющая условный переход; сложные операции пересылки с преобразованием.
После появления языков высокого уровня разработчики стали пытаться поддерживать некоторые языковые конструкции машинными инструкциями, соответствующим образом приспособленными, например, для поддержки оператора for или рекурсивных вызовов процедур языка Algol. Специализированные инструкции представляли собой разумную идею, поскольку способствовали повышению плотности кода, важному фактору в то время, когда память была скудным ресурсом с размером не более чем 64 Кб.
Эта тенденция установилась в 1963 г. В машине Burroughs B5000 не только поддерживались многие усложненные конструкции языка Algol; она сочетала особенности научного компьютера с возможностями машины обработки символов и строк и включала в себя два компьютера с разными наборами инструкций. Такая экстравагантность стала возможной за счет использования техники микропрограмм, которые сохранялись в быстрой памяти, доступной только по чтению. Этот подход сделал жизнеспособной и идею семейства машин. Семейство IBM Series 360 состояло из набора компьютеров, которые все обладали одним и тем же набором инструкций и одной и той же архитектурой, по крайней мере, с точки зрения программиста. Однако внутренняя организация индивидуальных представителей семейства чрезвычайно различалась. Машины низшего класса были микропрограммными; аппаратура выполняла короткие микропрограммы, интерпретируя код инструкций. Однако в машинах высшего класса все инструкции реализовывались напрямую. Эта технология продолжала использоваться в однокристальных микропроцессорах 8086 компании Intel, 68000 компании Motorola и 32000 компании National Semiconductor (NS).
Процессор NS представляет собой хороший пример компьютера со сложной системой команд (complex instruction-set computer, CISC). Сжатие часто встречающихся паттернов инструкций в одну инструкцию существенно улучшало плотность кода и сокращало число обращений к памяти, что повышало скорость выполнения.
В процессоре NS поддерживалась, например, новая концепция модулей и раздельной компиляции на основе использования соответствующей инструкции вызова. Сегменты кода связывались при загрузке, а компилятор обеспечивал таблицы со связующей информацией. Минимизация числа операций связывания, которые заменяют ссылки на таблицу связей абсолютными адресами, безусловно, является хорошей идеей. Схема, упрощающая задачу редактора связей, приводит к специальной организации хранения каждого модуля, как показывает рис. 1.
Рис. 1. Организация хранения модуля.
Выделенный регистр MOD указывает на дескриптор модуля M, который содержит процедуру, выполняемую в настоящее время. Регистр PC - это обычный счетчик команд. Регистр SB указывает на сегмент данных модуля M, включающего статические, глобальные переменные M. Значения всех этих регистров изменяются при выполнении системного вызова внешней процедуры. Для ускорения этого процесса в процессоре наряду с инструкцией обычного перехода на подпрограмму (BSR) поддерживалась инструкция вызова внешней процедуры (CXP). Соответственно, поддерживались и две инструкции возврата - RTS и RXP.
Предположим теперь, что требуется активизировать процедуру P в модуле M. Параметр d инструкции CXP указывает на элемент таблицы связей. На основе этого система получает адрес дескриптора M и смещение точки входа в P в сегменте кода. Затем система получает из дескриптора адрес сегмента данных M и загружает его в SB - все это делается при выполнении одной короткой инструкции. Однако за получаемые простоту связывания и плотность кода нужно было чем-то платить, и платить приходилось увеличенным числом косвенных ссылок и, между прочим, дополнительной аппаратурой - регистрами MOD и SB.
Аналогичным примером является инструкция проверки границ массива. Она сравнивала индекс массива с нижней и верхней границами массива и вызывала системное прерывание, если значение индекса не находилось в этом диапазоне, объединяя, тем самым, две инструкции сравнения и две инструкции ветвления.
Несколько лет спустя, после того, как был разработан и выпущен компилятор языка Oberon, появились новые, более быстрые версии процессора. Разработчики стремились реализовывать прямо в аппаратуре часто используемые, простые инструкции и интерпретировать сложные инструкции на внутреннем микрокоде. В результате этого инструкции, ориентированные на поддержку языка, становились существенно медленнее простых операций. Поэтому при программировании новой версии компилятора я не использовал усложненные инструкции.
Это привело к удивительным результатам. Новый код выполнялся существенно быстрее, из чего следовало, что разработчики архитектуры компьютера и компилятора оптимизировали не то, что требовалось.
И действительно, в начале 1980-х развитые микропроцессоры начали конкурировать со старыми мейнфреймами, обладающими сложными и необычными наборами инструкций. Эти наборы становились настолько сложными, что большинство программистов использовало только их небольшие части. Да и в компиляторах использовалось только подмножество доступных инструкций, что ясно показывало, что разработчики аппаратных архитектур зашли слишком далеко.
В районе 1990 г. реакция проявилась в форме RISC-машин - прежде всего, архитектур ARM, MIPS и Sparc. В них поддерживались небольшой набор простых инструкций, каждая из которых выполнялась за один такт, единственный режим адресации и довольно большой набор коротких регистров единой структуры. Появление этих архитектур показало, что идея CISC было плохой.
Дата добавления: 2015-07-10; просмотров: 113 | Нарушение авторских прав