Регистровая архитектура

Стековая архитектура

Стек образует множество логически взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу «последним вошел, первым вышел» Last In First Out).

Верхнюю ячейку называют вершиной стека. Для работы со стеком предусмотрены две операции: push(проталкивание данных в стек) и pop (выталкивание данных из стека). Операнды перед обработкой помещаются в две верхних ячейки стековой памяти. Результат операции заносится в стек.

Для записи в стек и чтение из стека в ячейку с адресом x предусмотрены две команды – pushx и popx.

Верхние ячейки стековой памяти, где хранятся операнды и куда заносится результат операции, как правило, делаются более быстродействующими и размещаются в процессоре, в то время как остальная часть стека может располагаться в основной памяти и частично даже на магнитном диске.

Достоинства стековой архитектуры:

· Сокращение адресной части команд, поскольку все операции производятся через вершину стека (не нужно указывать адреса операндов и результата в командах арифметической и логической обработки информации).

· Компактный код программы.

· Простое декодирование команд.

Недостатки стековой архитектуры:

· Стековая архитектура не предполагает произвольного доступа к памяти, из-за чего компилятору трудно создать эффективный программный код, хотя создание самих компиляторов упрощается.

· Стек становится «узким местом» ВМ в плане повышения производительности. В силу упомянутых причин, данный вид АСК долгое время считался неперспективным и встречался, главным образом, в вычислительных машинах 1960-х годов, например в ВМ фирмы Burroughs (B5500, В6500) или фирмы Hewlett-Packard HP 3000/70).

Последние события в области вычислительной техники свидетельствуют о возрождении интереса к стековой архитектуре ВМ. Связано это с популярностью языка Java и расширением сферы применения языка Forth, семантике которых наиболее близка именно стековая архитектура. Появились архитектуры с безоперандным набором команд ROSC, Removed Operand Set Computer (Cтековую машину IGNITE компании Patriot Scientist), которые по-сути являются стековыми.

Третье поколение вычислительной техники (1963–1972) ознаменовалось переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам, что обусловило скачок производительности. Зарождаются принципы конвейеризации и суперскалярности (принципы мелкозернистого параллелизма). Появляются многозадачные ОС. Архитектура системы команд (ISA) сильно развивается, предоставляя программистам более развитые команды. Такую ISA впоследствии назовут CISC.

В машинах с регистровой архитектурой процессор включает в себя массив регистров (регистровый файл), известных как регистры общего назначения (РОН). Эти регистры, в каком-то смысле, можно рассматривать как явно управляемый кэш для хранения недавно использовавшихся данных.

Размер регистров обычно фиксирован и совпадает с размером машинного слова. К любому регистру можно обратиться, указав его номер. Количество РОН в архитектурах типа CISC обычно невелико (от 8 до 32), и для представления номера конкретного регистра необходимо не более пяти разрядов, благодаря чему в адресной части команд обработки допустимо одновременно указать номера двух, а зачастую и трех регистров (двух регистров операндов и регистра результата). RISC-архитектура предполагает использование существенно большего числа РОН (до нескольких сотен), однако типичная для таких ВМ длина команды (обычно 32 разряда) позволяет определить в команде до трех регистров.

Регистровая архитектура допускает расположение операндов в одной из двух запоминающих сред: основной памяти или регистрах. С учетом возможного размещения операндов в рамках регистровых АСК выделяют три подвида команд обработки:

· регистр-регистр;

· регистр-память;

· память-память.

В варианте «регистр-регистр» операнды могут находиться только в регистрах. В них же засылается и результат. Подтип «регистр-память» предполагает, что один из операндов размещается в регистре, а второй в основной памяти. Результат обычно замещает один из операндов. В командах типа «память-память» оба операнда хранятся в основной памяти.

Вариант «регистр-регистр» является основным в вычислительных машинах типа RISC. Команды типа «регистр-память» характерны для CISC-машин. Наконец, вариант «память-память» считается неэффективным, хотя и остается в наиболее сложных моделях машин класса CISC.

К достоинствам регистровых АСК следует отнести: компактность получаемого кода, высокую скорость вычислений за счет замены обращений к основной памяти на обращения к быстрым регистрам. С другой стороны, данная архитектура требует более длинных инструкций по сравнению с аккумуляторной архитектурой. В наши дни этот вид архитектуры системы команд является преобладающим.