Основные задачи микроархитектуры

В идеале мы должны были сначала описать общие принципы разработки микроархитектурного уровня. К сожалению, таких общих принципов не существует. Каждая разработка индивидуальна. По этой причине мы просто подробно рассмотрим конкретный пример. В качестве примера мы выбрали подмножество виртуальной машины Java, как мы и обещали в главе 1. Это подмножество содержит только команды с целыми числами, поэтому мы назвали ее IJVM (Integer JVM; integer — целое число). Полную структуру JVM мы рассмотрим в главе 5. Начнем с описания микроархитектуры, на основе которой мы воплотим IJVM. Система IJVM содержит несколько довольно сложных команд. Подобные архитектуры часто реализуются с помощью микропрограммирования, как уже было сказано в главе 1. Хотя структура IJVM несложная, она послужит отправной точкой в описании основных принципов управления командами и последовательности их

выполнения.

Наша микроархитектура содержит микропрограмму (в ПЗУ), которая должна

вызывать, декодировать и выполнять команды IJVM. Мы не можем использовать для этой микропрограммы интерпретатор JVM, разработанный компанией Sun, Пример микроархитектуры 231 поскольку нам нужна крошечная микропрограмма, которая запускает отдельные вентили аппаратного обеспечения. Интерпретатор JVM компании Sun был написан на языке С, чтобы обеспечить мобильность программного обеспечения. Этот

интерпретатор не может управлять аппаратным обеспечением на таком детализированном уровне, который нам нужен. Поскольку реальное аппаратное обеспечение состоит только из компонентов, описанных в главе 3, то теоретически после изучения этой главы читатель сможет пойти в магазин, купить огромное количество транзисторов и сконструировать машину IJVM. Тому, кто успешно выполнит эту задачу, будет предоставлен дополнительный кредит (а также полное психиатрическое обследование).

Разработку данной микроархитектуры удобно считать проблемой программирования, при этом каждая команда уровня архитектуры команд - функция, вызываемая основной программой. В данном случае основная программа довольно проста. Она представляет собой бесконечный цикл. Сначала программа определяет, какую функцию нужно выполнить, затем вызывает эту функцию, а затем начинает все снова. Микропрограмма содержит набор переменных, к которым имеют доступ все функции. Этот набор переменных называется состоянием компьютера. Каждая функция изменяет по крайней мере несколько переменных, формируя при этом

состояние. Например, счетчик команд - это часть состояния. Он указывает местонахождение функции (то есть команды уровня архитектуры команд), которую нужно выполнить следующей. Во время выполнения каждой команды счетчик команд указывает на следующую команду.

Команды IJVM очень короткие. Каждая команда состоит из нескольких полей, обычно одного или двух, каждое из которых выполняет определенную функцию. Первое поле является кодом операции. Этот код определяет тип команды и сообщает, что это, например, команда сложения или команда ветвления, или еще какая-нибудь команда. Многие команды содержат дополнительное поле, которое определяет тип операнда. Например, команды, которые имеют доступ к локальным переменным, должны иметь специальное поле, чтобы определить, какая это переменная.

Такая модель выполнения команды, называемая иногда циклом выборка-исполнение, полезна для теории, а также может служить основой воплощения уровня архитектуры команд со сложными командами (например, IJVM). Ниже мы опишем, как работает эта модель, что собой представляет микроархитектура и как ею управляют микрокоманды, каждая из которых занимает тракт данных на один цикл. Полный список команд формирует микропрограмму, которая будет рассмотрена очень подробно.