Архитектура современных ОС. Лекция 1.
Особенности архитектуры RISC.
CISC.
- CISC имеет избыточный набор команд, т.е. одно действие может быть выполнено с помощью различных команд.
- Команды работают с различными типами операндов
- Используются различные типы адресации
- Вследствие пунктов 2 и 3 команды имеют разную длину
- Команды выполняются за различное время (число тактов процессора)
- Используется микропрограммирование, когда некоторые сложные действия выполняются аппаратно, с помощью некоторых заранее определенных последовательностей команд.
В середине 70-х годов Крой предложил архитектуру RISC.
- Минимальный набор команд
- Команды ориентированны на работу с регистрами
- Команды имеют одинаковую длину
- Команды в основном выполняются за один такт процессора
- Все сложные механизмы перенесены на уровень программ, поэтому используются оптимизированные компиляторы
В 90-х годах несколько фирм выпустили RISC-компьютеры: SUN(SPARK), DEC (Alpha), IBM (RS/6000). Эти машины назвали POWER. Увеличение производительности POWER достигалось не только за счет архитектуры RISC, но и конвейеризации и распараллеливания вычислений.
Архитектура процессора POWER.
Для снижения разницы в скоростях работы процессора и памяти в POWER используются раздельные кэши команд и данных.
Для распараллеливания вычислений процессор содержит вычислительный элемент с фиксированной и плавающей точкой, а так же специальный процессор ветвлений, который предназначен для проверки кодов условий, т.е. результатов сравнений и выполнений команд условного и безусловного переходов.
При этом процессор ветвления планирует выполнение команд условного перехода по false. Если предсказание выполняется, то команда выполняется без задержки конвейера, иначе возможна задержка конвейера до 4х тактов.
Процессор ветвления за одно обращение к кэшу команд, может выбрать из него до 4х команд, по одной для процессоров с фиксированной и плавающей точкой и две для себя.
Процессоры с плавающей точкой в POWER могут выполнять выражение за одну команду (A*(B+C)), поэтому POWER может выполнять до 5ти команд.
Дальнейшее развитие RISC-архитектуры пошло по двум направлениям:
В сторону удешевления RISC-систем (POWER PC)
В сторону наращивания мощности (POWER 2)
Снижение стоимости POWER PC было достигнуто за счет архитектурных упрощений.
Кэш команд и данных объединен, процессор ветвления выполняет только команды условного и безусловного переходов.
За одно обращение к кэшу процессор ветвления мог извлечь только 3 команды: для себя, процессоров с фиксированной и плавающей точкой. Но в общем POWER PC мог выполнять до 4 команд.
Увеличение мощности POWER 2 достигалось за счет увеличения количества процессоров. Количество процессоров с фиксированной и плавающей точкой удвоилось. Каждую пару процессоров обслуживал свой кэш данных. Процессор ветвления выполнял и команды условного/безусловного перехода и при обращении к кэшу мог считать до 6 команд (из них 2 для себя). Одновременно могло быть выполнено до 8-ми команд.
Страничная организация памяти в RISC/6000 (RS/6000).
Доступно виртуально адресное пространство размером 252. Вся память в системе делиться на сегменты размером до 256 мб. Приложение одновременно может иметь доступ к 16-ти сегментам (без перезагрузки значений регистров сегментов), так как имеется 16 регистров сегментов. Компиляторы создают 32-разрядные виртуальные адреса, которые интерпретируются следующим образом:
Если в TLB соответствующая пара не найдена, то номер виртуальной страницы ищется в PFT, определяется реальная страница, соответствующая виртуальной. Если она выгружена, то вырабатывается страничное прерывание, иначе из PTF извлекается адрес реальной страницы, имеющей разрядность 32 бита. К данному адресу прибавляется 12 разрядов смещения.