Организация регистровой памяти (регистровые окна, стек)

Регистровые окна. Компьютер поддерживает аппарат виртуальных регистров. Команды программы могут оперировать с регистрами общего назначения.

Одно из решений – регистровые окна. В компьютере есть фиксированный набор физических регистров с номерами 0, …, к-1. В программе доступна нумерация виртуальных регистров 0, …,k-1, где l<к.

Аппарат позволяет привязать регистровые окна к множеству физических регистров. Окна перемещаются дискретно. Окно состоит из трех частей: входные, выходные регистры; локальные (внутренние) регистры. Аппаратура обеспечивает существование фиксированного количества окон. Окна расположены циклическим образом. Этот аппарат позволяет активизировать вложенные программы.

В каждый момент времени программа может использовать множество регистров общего назначения. Каждое регистровое окно состоит из трех частей: двух номеров регистров для приема и передачи информации. Средняя часть – для локализации подпрограммы.

Обращение к подпрограмме: параметры, которые должны быть переданы, размещаются в третьей части окна. Осуществляется смена указателя на текущее окно.

Микропроцессоры SPARK используют такую архитектуру.

Два регистра: указатель текущего окна и указатель сохраненного окна. Возникает необходимость сохранения регистровых окон в память. Регистр SWP указывает на сохраненное окно.

Схема работы:

При обращении к функции: программно увеличиваем указатель на текущее окно на 1 по модулю N. Проверяется содержимое этого указателя и указателя на сохраненное окно. Если они совпадают, то происходит прерывание. Если же совпадения нет, то мы работаем с новым окном.

При выходе из функции: уменьшаем указатель текущего окна, сравниваем с указателем сохраненного окна.

Модель организации регистровой памяти в Intel Itanium.

Эта модель более совершенная. Регистры, доступные для программы, представляют собой множество из 128 регистров. Первые 32 из них – статические регистры (общие для всех случаев, они никак не меняются). После статических регистров располагаются динамические регистры, которые располагаются с 32 регистра до 127 (всего 96 регистров). Есть возможность при обращении к подпрограммам изменять регистровые окна.

Отличие от предыдущей модели: размер окна при переключении окон может варьироваться от 96 до 1 регистра.

БИЛЕТ 14Виртуальная оперативная память

Аппарат виртуальной памяти

Рассмотрим некоторые проблемы организации адресации в программах/процессах и связанные с ними проблемы использования ОЗУ в целом.

В общем случае схема получения исполняемого кода программы следующая:

Данная схема достаточно очевидна, так как она связана с привычным для нас процессами трансляции. Остановимся подробней на исполняемом модуле. Данный модуль представляет собой готовую к выполнению программу в машинных кодах. При этом внутри программы к моменту образования исполняемого модуля используется модель организации адресного пространства программы (эта модель, в общем случае не связана с теми ресурсами ОЗУ, которые предполагается использовать позднее). Для простоты будем считать, что данная модель представляет собой непрерывный фрагмент адресного пространства в пределах которого размещены данные и команды программы. Будем называть подобную организацию адресации в программе программной адресацией или логической/виртуальной адресацией.

Итак, повторяем, на уровне исполняемого кода имеется программа в машинных кодах, использующая адреса данных и команд. Эти адреса в общем случае не являются адресами конкретных физических ячеек памяти, в которых размещены эти данные, более того, в последствии мы увидим, что виртуальным (или программным) адресам могут ставиться в соответствие произвольные физические адреса памяти. То есть при реальном исполнении программы далеко не всегда виртуальная адресация, используемая в программе совпадает с физической адресацией, используемой ЦП при выполнении данной программы.

Элементарное программно-аппаратное решение – использование возможности базирования адресов. Суть его состоит в следующем: пусть имеется исполняемый программный модуль. Виртуальное адресное пространство этого модуля лежит в диапазоне [0, A_кон]. В ЭВМ выделяется специальный регистр базирования R_баз., который содержит физический адрес начала области памяти, в которой будет размещен код данного исполняемого модуля. При этом исполняемые адреса, используемые в модуле будут автоматически преобразовываться в адреса физического размещения данных путем их сложения с регистром R_баз.. Таким образом код используемого модуля может перемещаться по пространству физического ОЗУ. Эта схема является элементарным решением организации простейшего аппарата виртуальной памяти. То есть аппарата, позволяющего автоматически преобразовывать виртуальные адреса программы в адреса физической памяти.

Рассмотрим более сложные механизмы организации виртуальной памяти.

Пусть имеется вычислительная система, функционирующая в мультипрограммном режиме. То есть одновременно в системе обрабатываются несколько программ/процессов. Один из них занимает ресурсы ЦП. Другие ждут завершения операций обмена, третьи – готовы к исполнению и ожидают предоставления ресурсов ЦП. При этом происходит завершение выполнявшихся процессов и ввод новых, это приводит к возникновению проблемы фрагментации ОЗУ. Суть ее следующая. При размещении новых программ/процессов в ОЗУ ЭВМ (для их мультипрограммной обработки) образуются свободные фрагменты ОЗУ между программами/процессами. Суммарный объем свободных фрагментов может быть достаточно большим, но, в то же время, размер самого большого свободного фрагмента недостаточно для размещения в нем новой программы/процесса. В этой ситуации возможна деградация системы – в системе имеются незанятые ресурсы ОЗУ, но они не могут быть использованы. Путь решения этой проблемы – использование более развитых механизмов организации ОЗУ и виртуальной памяти, позволяющие отображать виртуальное адресное пространство программы/процесса не в одну непрерывную область физической памяти, а в некоторую совокупность областей.