4. Комп’ютерна архітектура рівня машинних інструкцій
Відповідь
Кожній комп’ютерній системі притамана ієрархічна низка впорядкованих архітектур. Можна казати про макроархітектури операційних систем, про архітектуру рівня машинних інструкцій, що знаходиться на межі програмних та апаратних засобів, про внутрішні мікроархітектури процесорів тощо. В контексті нашого курсу принципового значення набуває так звана архітектура рівня машинних інструкцій, що розташована, наближено. у середині вище зазначеної ієрархії архітектур.
Архітектура комп’ютерної системи рівня машинних інструкцій (Instruction Set Architecture - ISA) – це абстрактне сприйняття машини (або ж означення фізичної системи, а в нас – це комплекс апаратних засобів та мікрокод) програмістом, який програмує цю машину мовою асемблер, або розробником фази генерування машинного коду деякого компілятора (тобто, системним програмістом). Нагадаємо, що асемблер визначають як мову класу “один в один”, тобто, як таку мову програмування, де кожному унікальному оператору мови відповідає унікальна машинна інструкція. Архітектура рівня машинних інструкцій розмежовує програмну та апаратну частини машини та визначає програмний інтерфейс із боку апаратних засобів до (системних) програм. Важливо, що архітектура визначає принципи організації обчислювальної системи. При цьому вона не відбиває керування та пересилання даних у межах процесора, конструктивні особливості логічних електронних схем та специфіку технології виробництва цих схем. Архітектура комп’ютера, передусім, подає:
- видимі програмісту об’єкти, що містять дані (регістри, пам’ять, порти уводу-виводу тощо),
- оператори зміни вмісту об’єктів (множини інструкцій),
- інформацію про комбінування щойно зазначених операторів із метою (програмного) створення нових функцій на основі вже наданих.
Зрозуміло, що архітектуру рівня машинних інструкцій можна визначити як ті ресурси машини (множину інструкцій, структура, місткість та організацію пам’яті, навіть структуру та організацію кеш-пам’яті, як у процесорі Ітаніум), які є наданими до використання системному програмісту. Комп’ютерний архітектор приймає рішення за трьома напрямками:
- визначення форм подання машинних програм та правил інтерпретації цих програм машиною, - уставлення форматів інструкцій, які використовують при програмуванні,
- уставлення форм і форматів подання даних. Сам термін “архітектура комп’ютерної системи” виник у 1964 році із випуском першої комп’ютерної системи третього покоління ІВМ 360 (потім серія 370), що містила низку програмно сумісних здолу догори машин, від найменш потужних до надпотужних класу ІВМ 360/91. Тобто, усвідомлення важливості означення та реалізації єдиної у межах цілої родини комп’ютерів ISA-архітектури стало саме
тим фактором, що принципово відмежував напівпровідникові машини другого покоління (найбільшою тут була перша конвеєрна машина Stretch фірми IBM, понад 400 тис. транзисторів та напівпровідникових діодів) від інтегральних комп’ютерних систем третього покоління. Єдиний документ “Принципи функціонування системи ІВМ 360/370” визначив архітектуру усіх процесорів цієї системи, від малих до великих, а два виключення, що містили машинно-залежні документи, стосувалися наступних суто технічних, а не архітектурних питань:
- способів повідомлень з боку апаратури системним програмним засобам про збої у роботі апаратури, - означень командних слів каналів підсистеми уводу-виводу інформації.
Результати реалізації деякої комп’ютерної архітектури рівня машинних інструкцій подають наявними апаратними засобами, які функціонують за визначеними архітектурою правилами. Деяка родина машин може мати незмінну архітектуру рівня машинних інструкцій (тоді усі машини є програмно, або ж більш сильно, бінарно сумісними), але разом із цим, окремі машини цієї родини можуть містити кардинально розбіжні апаратні засоби. Наприклад, так званий паралелізм чи/або конвеєризація є методами, які з різною глибиною можна застосовувати в межах деякої єдиної архітектури...
