مجموعه دستورالعمل های کامپیوتری سطح بالا(HISC): معماری کامپیوتر با استفاده از واصف دستور اجرایی HISC: A computer architecture using operand descriptor q

مقدمه

از زمان معرفی کامپیوترها، معماری کامپیوتر به طور معمول بر مبنای معماری وان نیومن، به همراه مفهوم دستگاه برنامه ذخیره کننده می باشد. در این مدل، الگوریتم حل مسئله توسط یک سری از دستورات کامپیوتری نشان داده می شود، که به منظور دستکاری داده ورودی و تولید داده خروجی به اجرا در می آید. دستوراتی که به همراه داده های دستکاری شده به اجرا در می آیند، در حافظه ذخیره می گردند. این دستورات به صورت متوالی به اجرا در می آیند تا زمانی که شاخه گزینی و جا به جایی اهداف با توجه به دستورات کنترل برنامه روی دهد به صورتی که این شاخه ها و انشعابات شرطی با هم در تلاقی باشند. علاوه بر این دستورات I/O  برای تعامل با موارد بیرونی وجود دارند.

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.

دستور معماری کامپیوتر وان نیومن معمولا متشکل از کد عملیاتی و صفر می باشد، و یک یا چند دستور اجرایی می باشد. دستورات اجرایی به عنوان داده های به صورت ثبت شده یا درون حافظه، یا منتسب به حافظه می باشند. این موارد ثبت شده به وضوح مشخص شده یا توسط کدهای اجرایی بکار گرفته می شوند. هیچ توصیف کننده ای یرای مشخص کردن ماهیت و نسبت سیستم ها برای داده ها به جز مواردی که توسط کدهای اجرایی بکار گرفته شوند وجود ندارد. برای مثال دستورات اضافی صحیح به معرفی داده هایی می پردازد که توسط دستورات اجرایی مشخص شده و بر مبنای عدد صحیح با طول خاص می باشد، و دستورات ممیز شناور که داده های مربوط به دستور اجرایی را به کار می گیرند بر مبنای ارقام ممیز شناور با درجات و قالب های دیگر می باشند. توصیف و شرایط لازم مرتبط به داده های دستورات اجرایی توسط داده های دیگر مشخص شده که بر مبنای ارقام و الگوهای انواع داده های از پیش تعریف شده خاص و معانی در دستورات دیگر می باشند. این داده ها می بایست توسط برنامه ها یا رویکردهای دیگر مد نظر قرار گیرند، تا به اجرای فعالیت های مناسب پرداخته یا به شرح شرایط لازم و معانی مرتبط توسط این دستگاه بپردازند. این موارد بر اساس نسبت های سیستم داده در دستورات اجرایی گروه بندی می گردند.

برنامه نویسی مقصود گرا

سبک محاسبه حاصل روش اصلی وان نیومن در ارتباط با برنامه نویسی ساختاری، و اخیرا در ارتباط با برنامه نویسی مقصودگرا می باشد. مفهوم مقصود گرایی در اوایل دهه 1970 توسط زبان برنامه نویسی Ada در سازمان دفاعی ایالات متحده مطرح شد.  امروزه زبان های برنامه نویسی Java, C#, J2EE, و NET در میان محبوب ترین فناوری های می باشند، زیرا بازدهی ، اشتراک و امنیت بهتری را به ویژه در محاسبات اینترنتی ایجاد می کنند. مدل برنامه نویسی سنتی وان نیومن دارای تامین پشتیبانی کمتری همانند صفحه بندی به همراه TLB و قطعه سازی می باشند و امنیت مد نظر قرار می گیرد.

تلاش هایی برای ادغام کنترل دسترسی به منظور امنیت در معماری کامپیوتر در دهه 1970 زمانی که زبان برنامه نویسی Ada معرفی شد، به انجام رسید، که بسیاری از این موارد به همراه تجهیزاتی با قابلیت اینتل iAPX432، سیستم IBMف منبع داده کل، و موارد کمتر شناخته شده همانند پروژه Univac و Burroughs می باشد. حق ثبت در ایالات متحده در ارتباط با پردازشگرهای مقصودگرا  وجود داشته و موارد قابل توجه تر آن در بخش [11,12] می باشند. تجهیزات جدیدتر شامل Sun Microsystems PicoJava II، ARM Jazelle و تراشه ارزیاب Fujitsu MB86799 می باشد. همچنین پروژه های تحقیقی علمی همانند Rekursiv، Vijaykrishnan و همکارانش، JOP و موارد دیگر راه حل نسبی را مد نظر قرار می دهند. اخیرا فعالیت هایی در ارتباط با دستورات سبک و کامپایل دینامیک انجام شده است.

1.2 کنترل دستیابی

برنامه نویسی مقصودگرا برای حمایت از قابلیت اطمینان، استفاده مجدد، اشتراک، و موضوعات امنیتی معرفی شد. تمام این موارد نیازمند کنترل دستیابی می باشند. برنامه نویسی مقصودگرا، برنامه را در ارتباط با اهداف تفکیک می کند. در OOP یا برنامه نویسی مقصودگرا، یک هدف ترکیبی از روش و داده می باشد. این روش ها درون اهداف تعریف شده که به عنوان میانجی ارتباطات می باشند. یک روش به عنوان نسخه هدف محور زیرروال می باشد. فراخوانی این روش ها به نام روش احضار در برنامه نویسی مقصودگرا می باشد. در OOP ، ارتباط در میان اهداف معمولا توسط احضار روش ها به اجرا در می آید. در مقایسه با دستورات زیرروال در سیستم بدون OOP، بکارگیری روش، نسخه تضمین شده ای از یک دامین به دامین دیگر را ایجاد می کند. چون انتقال کنترل در سیستم OOP تضمین می گردد، عملکرد چند برنامه ای با استفاده از سرنخ هایی به جای مراحل بدست می آید. در مقایسه با مراحل، یک رشته فضای آدرس دهی را با رشته های دیگر به اشتراک می گذارد، که بدین معنی می باشد که موارد بالاسری مرتبط به تغییر شرایط بین مراحل نادیده گرفته می شود.

به دنبال توسعه کامپیوترها و پیشرفت زبان برنامه نویسی، برنامه نویسی نه تنها تمرکزش را بر روی داده های ناهموار دستورات اجرایی، بلکه بر روی موارد طبیعی و خصوصیات سیستم قرار می دهد. برای مثال در زبان های OOP، همانند جاوا، دستورات اجرایی شامل نشانه های چندگانه برای پشتیبانی از ویژگی های مقصود گرا، موارد انتزاعی، تلفیق داده ها با یکدیگر، چندریختی، و غیره می باشد. آن ها معمولا توسط نرم افزارها مدیریت می گردند. بنابراین موارد بالاسری مهمی وجود دارد که مشکلات عملیاتی و عدم اطمینان در ارتباط با انطباق صحیح و کامل توسط نرم افزار را ایجاد می کند. در دستورات مقصود گرا، جدا از فعالیت خواندن، سیستم ها می بایست چک کنند که آیا دسترسی قانونی می باشد یا خیر. بسیاری از این خصوصیات می بایست از حافظه خوانده شوند، که شامل روش دسترسی، اندازه فیلد دسته، آدرس مبدا، آدرس دهی غیر مستقیم، و انواع و موارد دیگر می باشد. بنابراین حافظه چندگانه ای وجود دارد که به واحد داده مجزا دسترسی دارد و دستورات مقصود گرا مجزا نیازمند صدها سیکل ساعتی می باشند.

برای بالا بردن پردازش OOP و فراتر از آن، ما معماری جدیدی را به نام HISC مطرح می کنیم: که شامل مجموعه دستورالعمل های سطح بالا بوده و و به معرفی دستوراتی به نام واصف دستور اجرایی می پردازد. در دستور اجرایی در HISC: به همراه واصف دستور اجرایی می آید. واصف دستور اجرایی به شرح مقادیر و نسبت دستورات اجرایی می پردازد. دستورات HISC معمول شامل کدهای عملیاتی می باشند و شاخص های مربوط به دستور اجرایی مبدا و مقصد توسط واصف دستور اجرایی مد نظر قرار می گیرد. مقادیر و نسبت های دستور اجرایی به طور همزمان در یک دستور قابل دسترسی بوده، و اجرای HISC را سریعتر از کامپیوترهای متعارف می کند.

مابقی این مقاله به صورت زیر سازماندهی می گردد:  بخش 2 به شرح معماری و فلسفه طراحی HISC می پردازد. بخش 3 پردازشگر jHISC – a HISC را مد نظر قرار می دهد که از برنامه مقصودگرا جاوا پشتیبانی می کند. به اجرا در آوردن ارزیابی عملکرد Jhisc  در این بخش می آید. بخش 4 فرصت های تحقیق آینده را  در محیط چند رشته ای، محیط پردازش چندگانه و محاسبات ابری نشان می دهد. بخش 5 نتیجه گیری مقاله می باشد.

2. معماری و فلسفه HISC

دستور معماری معمول وان نیومن از فرمت با سه آدرس به صورت زیر استفاده می کند

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.

که اولین آدرس مقصد در حافظه، و آدرس دوم بر مبنای دو دستور اجرایی مبدا در حافظه بوده، و آدرس پایانی در بخش دوم دو دستور اجرایی منبع در حافظه قرار می گیرد. کد عملیاتی بر مبنای عملکرد دودویی بوده که توسط دستورات مشخص می گردد. شکل 1، دستورات معمول وان نیومن را در غالب دستوری با سه آدرس نشان می دهد. هیچ عامل توصیف کننده ای وجود ندارد که به تعیین نسبت ها برای داده ها جز مواردی که توسط کد عملیاتی به کار گرفته می شود، بپردازد. نسبت های مشخص شده بر مبنای نوع داده ها همانند 32 بیت یا 36 بیت یا ارقام ممیز شناور تک منظوره یا دو منظوره می باشد. به دنبال توسعه پیشرفت نرم افزاریفغ دستورات اجرایی تعدادی از نسبت ها را برای پشتیبانی از چندین کاربرد تعیین می کنند. این روش ها می بایست توسط رویکردها یا برنامه های دیگری تفسیر گردند تا به اجرا یا آگاه سازی از شرایط لازم و معانی توسط دستگاه ها بپردازند. برای تفسیر داده ها در دستور اجرایی به همراه شرایط لازم و نسبت ها، داده های دیگری مورد استفاده قرار گرفته و می بایست توسط زیرروال ها یا برنامه هایی پردازش گردند تا به اجرای شرایط و نسبت ها و بازبینی، در صورت لزوم بپردازند. شکل 2 این روابط را نشان می دهد.  

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 1. فرمت دستوری با سه آدرس معماری وان نیومن

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 2. دستگاه با سه نشانی معماری وان نیومن که دستور اجرای مرتبط به آن نس=یازمند بررسی شرایط لازم یا اجرای نشانه ها می باشد.

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل 3. دستور HISC با سه نشانی که نشانه های دستور اجرایی در واصف دستور اجرایی ذخیره شده و مستقیما توسط سخت افزار تفسیر می گردد.

کامپیوترهای وان نیومن متعارف به تفسیر و اجرای یک دستور به طور همزمان می پردازد، و یک دستور یک داده و نسبت را به اجرا در می اورد. علاوه بر این، زیرروال هایی که عملیاتی را تحریک می کنند، منجر به سیکل ساعت بالاسری می گردند. این داده های بر مبنای نرم افزار، به همراه بسیاری از مکانیسم های پردازشی، ناکارامد می باشند.

HISC حاصل از CISC (  کامپیوتر مجموعه دستورالعمل هاى پیچیده) و RISC (کامپیوتر مجموعه دستورالعمل هاى کاسته شده) می باشد. با توجه به کامپیوتر مجموعه دستورالعمل هاى سطح بالا، دستورات آن به دقت در انطباق با زبان های برنامه نویسی می باشد.  برای مثال مستقیما از دستورات OO جاوا پشتیبانی می کند که بعدها در این مقاله نشان داده خواهد شد.

مؤلفه اصلی HISC بر مبنای دستورات توسعه پذیر به نام واصف دستورات اجرایی (OD) می باشد. واصف دستور اجرایی شامل مقادیر داده و همچنین نسبت های آن می باشد. به دلیل واصف‌های دستور اجرایی، مقدار داده و نسبت های آن همزمان قابل دسترسی بوده و با استفاده از CPU و سخت افزارهای مورد نظر به پردازش در می آیند و بنابراین عملکرد را بالا می‌برند. دستور معمول HISC OOP شامل کدهای عملیاتی بوده، و شاخص های مربوط به دستور اجرایی مبدا و مقصد توسط واصف دستورات اجرایی مد نظر قرار می گیرند. تفاوت سرویس دهی این خصوصیات و انجام بررسی های لازم با در نظر گرفتن مدل کلاسیک وان نیومن در شکل 2 نشان داده شدهو معماری واصف توسعه پذیر HISC در شکل 3 نشان داده شده که به عنوان موارد رسمی می باشد که نیازمند پردازش از طریق اجرای دستورات در برنامه های سیستم و زیرروال ها می باشد، در حالی که مورد دوم نیازمند مرحله افزایش سرعت ارسال نشانه های دستور اجرایی بوده که توسط سخت افزار بررسی و تفسیر می گردد. اجرای نشانه های دستور اجرایی همزمان با اجرای مراحل انجام شده و از این رو هیچ زمان اجرای مازاد معرفی نمی گردد.

مهمترین ویژگی HISC، دستکاری داده ها به صورت مجزا می باشد. نشانه های سیستم ر واصف دستور اجرایی برای هر اپراند وجود دارد. واصف دستور اجرایی در جدول واصف اپراند نشان داده شده است. از این رو خصوصیات طبیعی و سیستمی برای دستورات اجرایی مجزا مشخص می گردند، تا به دستورات اجرایی خیلی دقیق دست یابند، در حالی که در کامپیوترهای معمولی، دستکاری داده ها بیشتر می باشد.

3. Jhisc- HISC که به پشتیبانی جاوا می پردازد

فرمت واصف دستور اجرایی

در این بخش، اجرای کامپیوتر HISC مد نظر می باشد، تا به پشتیبانی از جاوا، که به عنوان یک زبان برنامه نویسی مقصود گرای غالب می باشد، بپردازد. ماهیت OOP توانایی برای تعیین و مدیریت کنترل دستیابی بر روی پارامترهای برنامه نویسی مجزا می باشد.

چون متغیرهای برنامه نویسی دارای اشکال مختلف و اندازه های متفاوت می باشد، این ضرورت برای Jhisc وجود دارد تا قادر به تعیین و مدیریت کنترل دستیابی در مسیر مختلف داده ها و دستورات باشد. این موارد به متغیرهای برنامه نویسی انتقال می یابد، تا به متغیرهای برنامه نویسی مجزا دست پیدا کنند. چون OOP اغلب موارد به اهداف مختلف دسترسی دارد، که نسبت های آن از یکدیگر بدون اشکال ثابت و منظم  متغیر می باشند، تفکیک این دستورات اجرایی اساسا عملکرد را بهبود می بخشد. در سیستم های محاسباتی امروزی، این دستکاری می بایست در سطوح نرم افزاری بالاتر مدیریت گردد، تا تاثیر نسبت های سیستم بر روی متغیرهای برنامه نویسی مجزا حاصل گردد.

برای اینکه چنین عملکردهایی متوقف نگردد، بسیاری از زبان های oop همانند جاوا و C# نیازمند بررسی حد مطلوب انواع داده برای موارد ابتدایی در طبقات، همانند عدد صحیح و ارقام ممیز شناور در جاوا نمی باشند. آن ها چنین دستورات مستقیمی را مد نظر قرار داده و این امکان را برای پردازشگر ها ایجاد می کنند تا ان ها را به اجرا در اورند.این پردازشگرها معمولا قادر نمی باشند تا انواع نادرست را آشکار کنند، اما اگر عیوبی با  توجه به چنین خطاهایی ایجاد گردد، آن ها به اهداف مجزا محدود خواهند شد. با استفاده از واصف دستور اجرایی، jHISC صحت هر یک از اهداف  و دستورات اجرایی در سخت افزار را بررسی کرده، و باعث بهبود عملکرد و امنیت کامپیوتر می گردد.

معماری کامپیوتر دستورات اجرایی سطح بالا در پردازشگر 64 بیتی به اجرا در می آید. آن باعث توسعه معماری کامپیوتر برای پشتیبانی از برنامه نویسی مقصودگرا در سطح سخت افزاری با معرفی واصف دستور اجرایی 128 بیتی به منظور توصیف اهداف و متغیرها می گردد. هر واصف دستور اجرایی در جدول واصف اپراند نشان داده شده است که توسط سیستم های عامل حفظ شده و برای برنامه های کاربری به صورت فقط خواندنی می باشد. HISC اصلی اثبات می کند که مفهوم و فلسفه طراحی معتبر و امکان پذیر بوده، اما جریانات مازاد به منظور اجرا کاملا حائز اهمیت می باشند. به منظور کاهش جریان HISC، و به منظور مدیریت جاوا ، ما jHISC 32 بیتی را مطرح می کنیم. کار تحقیقی jHISC نسبتا منتشر شده است. بخش های باقیمانده این قسمت از آن ها توسعه می یابند.

در jHISC,، ما به ساده سازی دستور اجرایی به 32 بیست بر طبق به ساده سازی جاوا می پردازیم و فرمت یکپارچه نشان داده شده در شکل 4 را تعریف می کنیم. واصف دستور اجرایی شامل فیلد ادرس، نوع فیلد، پرچم ایستا، پرچم فقط خواندنی، و پرچم مشخص شده می باشد. نقش هر فیلد در بخش زیر بیان شده است.

- فیلد ادرس حاشیه بیتی را برای محل یابی کردن داده در فضای داده مشابه ایجاد می کند.

- تغییر دهنده دسترسی  برای کنترل امنیت مورد استفاده قرار می گیرد، و چهار تعدیل کننده ( عمومی، خصوصی، حمایتی و بسته بندی شده) در سیستم کنونی معرفی می گردند.

جهت مشاهده متن کامل فایل ترجمه را دانلود نمایید.