Понятие семантического разрыва

Недостатки ВС с архитектурой фон Неймана во многом характеризуются с помощью термина «семантический разрыв», который является мерой различия принципов, лежащих в основе современных языков программирования высокого уровня (ЯВУ), и тех принципов, которые определяют архитектуру ВС.

Приведенные выше основные характеристики ВС с традиционной архитектурой – причины этого разрыва. Семантический разрыв выражается в том, что объекты манипулирования (данные) и соответствующие им операции, реализуемые ВС, не имеют «близкого родства» с объектами и операциями, существующими в ЯВУ.

Рассмотрим и сравним свойства ВС с традиционной архитектурой и свойства языков высокого уровня.

Фон-неймановским ВС, рассматриваемым с этой точки зрения, присущи следующие характеристики:

1. Последовательно адресуемая линейная память, которая используется для хранения как данных, так и программ во время их выполнения. Программа и обрабатываемые в ней данные хранятся в одной памяти, адреса которой составляют последовательность типа 0, 1, 2,..., N.

2. Память является одномерной, не поддерживается представление многомерных, сложно организованных данных.

3. Отсутствует явное отличие между командами и данными, между областями памяти, содержащими их. Это позволяет модифицировать команды как данные или попытаться «выполнить» данные, передав управление по неверному адресу.

4. Нет средств отличить в наборе битов, хранящихся в ячейках памяти, данные различных типов, установить их назначение.

Языки же программирования предполагают, в основном, следующие свойства:

1. Память – набор дискретных именуемых переменных, использование которых не зависит от их позиции по отношению к другим данным в программе или к обрабатывающим их командам ЯВУ.

2. ЯВУ манипулируют многомерными данными (например, массивами, структурами или записями, списками, объектами и т.п.).

3. В большинстве ЯВУ существует резкое разграничение между командами и данными.

4. Назначение данных, семантика выполняемых над ними операций являются частью самих данных, определяются их типом.

Сравнение этих характеристик и показывает наличие семантического разрыва. Для уменьшения его влияния при разработке архитектуры современных ВС учитываются требования инструментальных средств, предназначенных для создания программ, программного обеспечения, которое должно использоваться в процессе эксплуатации ВС. При этом расширяются возможности адресации структурированных данных через использование косвенной и относительной адресации, индексации и масштабирования адресов и т.п.; в систему команд процессора вводятся команды, позволяющие эффективно реализовать сложные управляющие структуры (циклы, ветвления), используемые в ЯВУ, вызовы подпрограмм и передачу параметров; расширяется система прерываний, позволяющая облегчить процесс отладки программ, выявления ошибок; вводятся средства, позволяющие отделить команды и данные, используемые в программе и т.д.).

На системном уровне основной чертой ВС с архитектурой фон Неймана является использование шинного интерфейса для организации взаимодействия устройств ВС. Далее рассматриваются общие вопросы организации функционирования устройств ВС с традиционной архитектурой.