Глава 2. Многоуровневая организация компьютера. Архитектура и структура компьютера

Компьютер — это машина, которая может решать задачи, выполняя заданные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение опре­деленной задачи, и данные называются программой.

Электронные схемы каждого компью­тера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед выполнением должны быть превращены в последовательность таких команд.

Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором лю­ди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным. Разработ­чик при создании нового компьютера должен решить, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера и от задач, которые он должен решать. Обычно стараются сделать машинные ко­манды как можно проще, чтобы избежать сложностей при разработке компьюте­ра и снизить затраты на необходимую электронику. Большинство машинных языков крайне примитивны, из-за чего писать на них и 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. Такой подход называют многоуровневой организацией компьютерна.

2.1 Сущность многоуровневой организации компьютера

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

Вышеупомянутую проблему можно решить двумя способами. Оба способа подразумевают разработку новых команд, более удобных для человека, чем встроенные машинные команды. Эти новые команды в совокупности формируют язык более высокого уровня Я1. Встроенные машинные команды формируют язык самого низкого уровня Я0. Компьютер может выполнять только про­граммы, написанные на его машинном языке Я0. Два способа решения пробле­мы различаются тем, каким образом компьютер будет выполнять программы, на­писанные на языке Я1, — ведь в конечном итоге компьютеру доступен только машинный язык Я0.

Первый способ выполнения программы, написанной на языке Я1, подразумева­ет замену каждой команды эквивалентным набором команд на 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 означает создание программы на языке Я0, получающей в ка­честве входных данных программы, написанные на языке Я1. При этом каждая команда языка Я1обрабатывается поочередно посредством выполнения эквивалентной ей процедуры, созданной из команд языка Я0. Эта технология не требует составле­ния новой программы на языке Я0. 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 Я0, эквивалентных командам языка Я1. Различие лишь в том, что при трансляции вся программа на языке Я1 п­реобразуется в программу на языке Я0, программа на языке Я1 отбрасывается, а новая программа на языке Я0 загружается в память компьютера и затем выполняется.

При интерпретации каждая команда программы на языке Я1 последовательно анализируется и выполняется соответствующей процедурой, написанной на языке Я0. В отличие от трансляции, здесь не создается новая про­грамма на языке Я0. С точки зрения интерпретатора, программа на языке Я1 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 (виртуального) компьютера, для которого машинным языком является язык Я1. Назовем та­кой виртуальный компьютер К1, а виртуальный компьютер для работы с языком Я0 — К0. Если бы такой компьютер К1 можно было бы сконструировать без больших денежных затрат, язык Я0, да и компьютер, который выполняет программы на язы­ке Я0, были бы не нужны. Можно было бы просто писать программы на языке Я1, а компьютер сразу бы их выполнял. Даже с учетом того, что создать вирту­альный компьютер, возможно, не удастся (из-за чрезмерной дороговизны или труд­ностей разработки), программисты вполне могут писать ориентированные на него про­граммы. Эти программы будут транслироваться или интерпретироваться программой, написанной на языке Я0, а сама она могла бы выполняться сущест­вующим компьютером. Другими словами, можно писать программы для вирту­альных компьютеров так, как будто эти компьютеры реально существуют.

Трансляция и интерпретация целесообразны лишь в том случае, если языки Я0 и Я1 не слишком отличаются друг от друга. Это значит, что язык Я1 хотя и лучше, чем Я0, но все же далек от идеала. Возможно, это несколько обескуражи­вает в свете первоначальной цели создания языка Я1 — освободить программи­ста от бремени написания программ на языке, понятном компьютеру, но мало­приспособленном для человека. Однако ситуация не так безнадежна.

Очевидное решение проблемы — создание еще одного набора команд, кото­рый в большей степени, чем язык Я1 ориентирован на человека и в меньшей степе­ни на компьютер. Этот третий набор команд также формирует язык, который можно назвать назвать Я2, а соответствующый виртуальный компьютер — К2. Человек может писать программы на языке Я2, как будто виртуальный компьютер для рабо­ты с машинным языком Я2 действительно существует. Такие программы могут либо транслироваться на язык Я1, либо 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 будет разработан подходящий язык. Каждый такой язык использует своего предшественни­ка как основу, поэтому можно рассматривать компьютер в виде ряда уров­ней, изображенных в таблице 2.1.

Таблица 2.1.

Язык, находящийся в самом низу иерархической структуры, — самый примитивный, а тот, что расположен на ее вершине — са­мый сложный.

Между языком и виртуальным компьютером существует важная зависимость. Каждый компьютер поддерживает какой-то определенный машинный язык, состоящий из всех команд, который этот компьютер может выполнять. В сущности, компьютер определяет язык. Сходным образом язык определяет компьютер, который может выполнять все программы, написанные на этом языке. Компьютер, определяемый тем или иным языком, очень сложно и дорого конструировать из электронных схем, однако представить себе такой компьютер можно. Компьютер для работы с машинным языком С или С++ был бы слишком сложным, но в принципе его можно разработать, учитывая высокий уровень современных технологий. Одна­ко существуют веские причины не создавать такой компьютер — это крайне не­эффективное, по сравнению с другими, решение. Действительно, технология должна быть не только осуществимой, но и рациональной.

Компьютер с п уровнями можно рассматривать как п разных виртуальных компьютеров, у каждого из которых есть свой машинный язык. Термины «уровень» и «виртуальный компьютер» будут использоваться как синонимы. Только про­граммы, написанные на языке Я0, могут выполняться компьютером без трансляции или интерпретации. Программы, написанные на языках Я1, Я2, … Яп, должны прохо­дить через интерпретатор более низкого уровня или транслироваться на язык, соответствующий более низкому уровню.

Человеку, который пишет программы для виртуального компьютера Кп, не обязательно знать о трансляторах и интерпретаторах более низких уровней. Компьютер выполнит эти программы, и не важно, будут они поэтапно выполняться интерпретатором или же их обработает сам компьютер. В обоих случаях результат один и тот же — это выполненная программа.

Большинству программистов, использующих компьютер уровня п, интересен только самый верхний уровень, который меньше всего сходен с машинным язы­ком. Однако те, кто хочет понять, как в действительности работает компьютер, должны изучить все уровни. Также должны быть знакомы со всеми уровнями разработчики новых компьютеров или новых уровней (то есть новых виртуаль­ных компьютеров).

2.2. Современные многоуровневые компьютеры

Большинство современных компьютеров состоит из двух и более уровней. Существуют компьютеры даже с шестью уровнями (таблица 2.2).

Таблица 2.2. Шестиуровневый компьютер. Способ поддержки каждого уровня показан в строке под ним, в скобках дано название соответствующего программного обеспечения.

Таблица 2.2.

Ради полноты нужно упомянуть о существовании еще одного уровня, который расположен ниже нулевого. Этот уровень не показан в таблице 2.2, так как он попадает в сферу электронной техники и, следовательно, не рассматривается в этом учебном пособии. Он называется уровнем физических устройств. На этом уровне находятся транзисторы, которые для разработчиков компьютеров являются примитивами. Объяснить, как работают транзисторы, — задача физики.

Уровень 0 — это аппарат­ное обеспечение компьютера. На этом уровне объекты называются вентилями. 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 выполняет простые функции этих сигналов, такие как И или ИЛИ. Каждый вентиль формируется из нескольких транзисторов. Несколько вентилей формируют 1 разряд (бит) памяти, который может содержать 0 или 1. Разряды 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.

Следующий уровень называется уровнем структуры. Электронные схемы на уровне 1 выполняют машин­но-зависимые программы. На этом уровне находятся совокупности регистров, которые формируют локальную па­мять и схемы, называемые арифметико-логическими устройствами (АЛУ). АЛУ выполняют арифметические и другие 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 их содержимым какую-либо операцию, например сложение, после чего результат вновь помеща­ется в один из этих регистров.

В одних компьютерах работа тракта данных контролируется особой программой, которая называется микропрограммой. В других компьютерах тракт дан­ных контролируется аппаратными средствами.

В компьютерах, 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 «сложение» (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 называют уровнем архитектуры набора команд. Для каждого компьютера имеется подробное руководство, которое 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 одного компьютера, он дол­жен разработать два руководства по машинному языку, отдельно для каждого интерпретатора.

Следующий 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 — аппаратурой или микропрограммой. Вот почему этот уро­вень считается гибридным. Этот уровень называют уровнем операци­онной системы.

Между уровнями 3 и 4 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 компьютеров. Уровни с четвертого и выше предназначены для приклад­ных программистов, решающих конкретные задачи.

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

Другое различие 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 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 соответствующим виртуальным или фактически суще­ствующим компьютером. Программа, которая выполняет трансляцию, называется ас­семблером.

Уровень 5 обычно состоит из языков, разработанных для прикладных программистов. Такие языки называются языками высокого уровня. Существует много языков высокого уровня. Некоторые из них — С, С++, Java, LISP, 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, 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.

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, можно не принимать во внимание ненужные детали и, таким образом, сделать сложный предмет более простым для пони­мания.

Набор типов данных, операций и характеристик каждого отдельно взятого уровня называется его 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, изучают компьютерную архитектуру. На практике термины «компью­терная архитектура» и «компьютерная организация» употребляются как сино­нимы.

2.3. Развитие многоуровневых компьютеров

История развития многоуровневых компьютеров показывает как количество и природа уровней менялись с годами. Программы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу без применения интерпретаторов и трансляторов выполняться электронными схемами компью­тера (уровень 0). Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами вво­да-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состо­ит из осязаемых объектов — интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, модулей памяти и принтеров. Абстрактные поня­тия, алгоритмы и команды к аппаратному обеспечению не относятся.

Программное обеспечение, напротив, состоит из алгоритмов (подробных последовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компь­ютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жест­ком диске или других носителях, но это не так уж важно; в сущности, программное обеспечение — это набор команд, составляю­щих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обеспечением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размы­вание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались друг с другом. В на­стоящее время очень сложно отделить их друг от друга.