Многоуровневая структура компьютера

В последнее время я много писал о компьютерных сетях. Но и строении и структуре современных компьютеров тоже не стоит забывать. Также как и в компьютерных сетях существует эталонная модель OSI, компьютер тоже делится на уровни. Однако функции да и само деление на уровни созданы по иным причинам, чем в компьютерных сетях. Далее все это излагается в довольно простой и понятной форме.

Многоуровневая структура компьютера: языки, уровни и виртуальные машины

Существует огромная разница между тем, что удобно людям, и тем, что могут компьютеры. Люди хотят сделать X, но компьютеры могут  сделать только Y. Из-за этого возникает проблема.

Вышеупомянутую проблему можно решить двумя способами. Оба способа подразумевают разработку новых команд, более удобных для человека, чем встроенные команды. Эти новые команды в совокупности формируют язык, который мы будем называть Я 1. Встроенные машинные команды тоже формируют  язык, и мы будем называть его Я 0. Компьютер может выполнять только программы, написанные на его машинном языке Я 0. Два способа решения проблемы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, написанные на языке Я 1, — ведь в конечном итоге компьютеру доступен только машинный язык Я 0.

Первый способ выполнения программы, написанной на языке Я 1, подразумевает замену каждой команды эквивалентным набором команд на языке Я 0. В этом  случае компьютер выполняет новую программу, написанную на языке Я 0, вместо старой программы, написанной на Я 1. Эта технология называется трансляцией.

Второй способ означает создание программы на языке Я 0, получающей в качестве входных данных программы, написанные на языке Я 1. При этом каждая команда языка Я 1 обрабатывается поочередно, после чего сразу выполняется эквивалентный ей набор команд языка Я 0. Эта технология не требует составления новой программы на Я 0. Она называется интерпретацией, а программа, которая осуществляет интерпретацию, называется интерпретатором.

Между трансляцией и интерпретацией много общего. В обоих подходах компьютер в конечном итоге выполняет набор команд на языке Я 0, эквивалентных командам Я 1. Различие лишь в том, что при трансляции вся программа Я 1 переделывается в программу Я 0, программа Я 1 отбрасывается, а новая программа на Я 0 загружается в память компьютера и затем выполняется.

При интерпретации каждая команда программы на Я 1 перекодируется в Я 0 и сразу же выполняется. В отличие от трансляции, здесь не создается новая программа на Я 0, а происходит последовательная перекодировка и выполнение команд. С точки зрения интерпретатора, программа на Я 1 есть не что иное, как «сырые» входные данные. Оба подхода широко используются как вместе, так и по отдельности.

Впрочем, чем мыслить категориями трансляции и интерпретации, гораздо проще представить себе существование гипотетического компьютера или виртуальной машины, для которой машинным языком является язык Я 1. Назовем такую виртуальную машину М 1, а виртуальную машину для работы с языком Я 0 — М 0. Если бы такую машину М 1 можно было бы сконструировать без больших денежных затрат, язык Я 0, да и машина, которая выполняет программы на языке Я 0, были бы не нужны. Можно было бы просто писать программы на языке Я 1, а компьютер сразу бы их выполнял. Даже с учетом того, что создать виртуальную машину, возможно, не удастся (из-за чрезмерной дороговизны или трудностей разработки), люди вполне могут писать ориентированные на нее программы. Эти программы будут транслироваться или интерпретироваться программой, написанной на языке Я 0, а сама она могла бы выполняться существующим компьютером. Другими словами, можно писать программы для виртуальных машин так, как будто эти машины реально существуют.

Трансляцию и интерпретацию возможно выполнить только в том случае, когда Я 0 и Я 1 не сильно отличаются друг от друга. Но ведь цель создания Я 1 заключалась в создании языка более удобного для человека. Очевидно что она не может быть достигнута. Чтобы решить эту проблему можно создать еще одну виртуальную машину М 2 и язык Я 2, который будет более понятен для человека, чем Я 1. При этом, программы написанные на языке Я 2 могут транслироваться на язык Я 1 или выполняться интерпретатором, написанным на языке Я 1.

Изобретение целого ряда языков, каждый из которых более удобен для человека, чем предыдущий, может продолжаться до тех пор, пока мы не дойдем до подходящего нам языка. Каждый такой язык использует своего предшественника как основу, поэтому мы можем рассматривать компьютер в виде ряда уровней, такая структура изображена на рисунке ниже. Язык, находящийся в самом низу иерархической структуры компьютера, — самый примитивный, а тот, что расположен на ее вершине — самый сложный.

Многоуровневая структура компьютера

Многоуровневая структура компьютера

Компьютер с п уровнями можно рассматривать как п разных виртуальных  машин, у каждой из которых есть свой машинный язык. Термины «уровень» и «виртуальная машина» мы будем использовать как синонимы. Только программы, написанные на Я 0, могут выполняться компьютером без трансляции или интерпретации. Программы, написанные на Я 1, Я 2, …, Я п, должны проходить через интерпретатор более низкого уровня или транслироваться на язык, соответствующий более низкому уровню.

Современные многоуровневые компьютеры

Современные компьютеры можно представить как структуру, состоящую из 6 уровней:

Структура шестиуровневого компьютера

Структура шестиуровневого компьютера

Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан на рис. выше, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается из-за сложности материала. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компьютеров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики.

Уровень 0: Цифровой логический уровень

Объекты цифрового логического уровня — вентили. Хотя вентили состоят из аналоговых компонентов, таких как транзисторы, они могут быть точно смоделированы как цифровые устройства. У каждого вентиля есть один или несколько цифровых входов (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. Из вентилей также может состоять сам компьютер.

Уровень 1: уровень Микроархитектуры

Следующий уровень называется уровнем микроархитектуры. На этом уровне находятся 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. Тракт данных работает следующим образом. Выбирается один или два регистра, АЛУ производит над ними какую-либо операцию, например сложения, после чего результат вновь 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.

На машинах, где тракт данных контролируется программным обеспечением, микропрограмма — это интерпретатор для команд на уровне 2. Микропрограмма вызывает команды из памяти и выполняет их одну за другой, используя при этом тракт данных. Например, при выполнении команды ADD она вызывается из памяти, ее операнды помещаются в регистры, АЛУ вычисляет сумму, а затем результат переправляется обратно. На компьютере с аппаратным контролем тракта данных происходит такая же процедура, но при этом нет программы, интерпретирующей команды уровня 2.

Уровень 2: уровень архитектуры набора команд

Уровень 2 мы будем называть уровнем архитектуры набора команд. Каждый производитель публикует руководство для компьютеров, которые он продает, под названием «Руководство по машинному языку X», «Принципы работы компьютера У» и т. п. Подобное руководство содержит информацию именно об этом уровне. Описываемый в нем набор машинных команд в действительности выполняется микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением. Если производитель поставляет два интерпретатора для одной машины, он должен издать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Уровень 3: уровень операционной системы

Этот уровень обычно является гибридным. Большинство команд в его языке есть также и на уровне архитектуры набора команд (команды, имеющиеся на одном из уровней, вполне могут быть представлены и на других уровнях). У этого уровня есть некоторые дополнительные особенности: новый набор команд, другая организация памяти, способность выполнять две и более программы одновременно и некоторые другие. При построении уровня 3 возможно больше вариантов, чем при построении уровней 1 и 2.

Новые средства, появившиеся на уровне 3, выполняются интерпретатором, который работает на втором уровне. Этот интерпретатор был когда-то назван операционной системой. Команды уровня 3, идентичные командам уровня 2, выполняются микропрограммой или аппаратным обеспечением, но не операционной системой. Другими словами, одна часть команд уровня 3 интерпретируется операционной системой, а другая часть — микропрограммой. Вот почему этот уровень считается гибридным. Мы будем называть этот уровень уровнем операционной системы.

Между уровнями уровнем архитектуры набора команд и уровнем операционной системы есть существенная разница. Нижние три уровня задуманы не для того, чтобы с ними работал обычный программист. Они изначально ориентированы на интерпретаторы и трансляторы, поддерживающие более высокие уровни. Эти трансляторы и интерпретаторы составляются так называемыми системными программистами, которые специализируются на разработке новых виртуальных машин. Уровни с четвертого и выше предназначены для прикладных программистов, решающих конкретные задачи.

Еще одно изменение, появившееся на уровне операционной системы, — механизм поддержки более высоких уровней. Уровни 2 и 3 обычно интерпретируются, а уровни 4, 5 и выше
обычно, хотя и не всегда, транслируются.

Другое отличие между уровнями 1, 2, 3 и уровнями 4, 5 и выше — особенность языка. Машинные языки уровней 1, 2 и 3 — цифровые. Программы, написанные на этих языках, состоят из длинных рядов цифр, которые воспринимаются компьютерами, но малопонятны для людей. Начиная с уровня 4, языки содержат слова и сокращения, понятные человеку.

Уровень 4: уровень Ассемблера

Уровень 4 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.

Уровень 5: уровень языка прикладных программистов

Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существуют сотни языков высокого уровня. Наиболее известные среди них — 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. Отметим, что иногда также имеет место интерпретация. Например, программы на языке Java сначала транслируются на язык, напоминающий ISA и называемый байт-кодом Java, который затем интерпретируется.

В некоторых случаях уровень 5 состоит из интерпретатора для конкретной прикладной области, например символической логики. Он предусматривает данные и операции для решения задач в этой области, выраженные при помощи специальной терминологии.

Итог

Таким образом, компьютер проектируется как иерархическая структура уровней, которые надстраиваются друг над другом. Каждый уровень представляет собой определенную абстракцию различных объектов и операций. Рассматривая компьютер подобным образом, мы можем не принимать во внимание ненужные нам детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для понимания.

Набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня называется архитектурой. Архитектура связана с программными аспектами. Например, сведения о том, сколько памяти можно использовать при написании программы, — часть архитектуры. Аспекты реализации (например, технология, применяемая при реализации памяти) не являются частью архитектуры. Изучая методы проектирования программных элементов компьютерной системы, мы изучаем компьютерную архитектуру. На практике термины «компьютерная архитектура» и «компьютерная организация» употребляются как синонимы.


По материалам книги «Архитектура компьютера» Э. Таненбаума. Советую прочитать оригинал.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Получать новые комментарии по электронной почте. Вы можете подписаться без комментирования.