IT-технологии - Архитектура процессоров. CISC и RISC

Новости it-компаний

Компания IBM создала новый суперкомпьютер: в нем 294 912 про

News image

Компания IBM объявила о создании нового сверхмощного суперкомпьютера Blue Gene(P). По быстродействию он превосходит своего пр...

IBM сообщила о революционном открытии в криптографии

News image

Исследователь из компании IBM решил сложную математическую задачу, которая 30 лет не давала покоя криптографам. Ре...

Авторизация



Развитие технологий:

Персональные компьютеры семейства Pentium

Развитие семейства персональных компьютеров Pentium можно проследить по таблице 4. Таблица 4 Основные характеристики IBM PC на процессорах Pentium Год выпуска На...

Персональные компьютеры фирмы IBM

В 1980 году руководство IBM приняло революционное решение о создании персонального компьютера. В конце 1980 года маленькая группа, названная Entry Sy...



Архитектура процессоров. CISC и RISC
Это интересно - Технологии

архитектура процессоров. cisc и risc

В семидесятых годах прошлого столетия проектирование и изготовление центральных процессоров было занятием, принципиально доступным каждому. Если какому-нибудь сотруднику, скажем, Стэндфордского университета приходила в голову интересная идея, он мог легко набрать команду, основать фирму, найти инвесторов и уже через год-два выбросить на рынок свои CPU.

Через тридцать с небольшим лет процессоры усложнились до такой степени, что разработка хоть сколько-нибудь быстрого по современным меркам кристалла требует огромной армии инженеров, гигантских инвестиций и целого моря времени. И дело здесь отнюдь не в тонких кремниевых технологиях и стоящих миллиарды долларов полупроводниковых фабриках - просто уже в восьмидесятых годах разработка принципиально нового CPU требовала двух-трех, а в девяностых - пяти-шести лет напряженной работы. Те же китайцы, даже располагая подробной информацией о тридцатилетней истории проектирования процессоров, владея новейшими фабриками по производству кремниевых кристаллов и не стремясь изобретать что-то новое, потратили на разработку собственного простейшего MIPS32-подобного процессора Godson (примерно эквивалентного по производительности i486) несколько лет. Это не считая еще одного года, когда новый кристалл отлаживали. А на разработку MIPS64-подобной архитектуры с приемлемой производительностью (~Pentium III 500–600 МГц) у китайской Академии наук ушло еще четыре года, - четыре года, потраченных только на то, чтобы повторить успех более чем двенадцатилетней давности. Но почему все получается так сложно? Чтобы ответить на этот вопрос нам придется вернуться на 30-40 лет в прошлое.

Шаг первый. CISC

Так уж исторически сложилось, что поначалу совершенствование процессоров было направлено на то, чтобы сконструировать по возможности более функциональный компьютер, который позволил бы выполнять как можно больше разных инструкций. Во-первых, так было удобнее для программистов (компиляторы языков высокого уровня еще только начинали развиваться, и все по-настоящему важные программы писались на ассемблере), а во-вторых, использование сложных инструкций зачастую позволяло сильно сократить размеры написанной на ассемблере программы. А где меньше инструкций – меньше и затраченное на исполнение программы время.

Надо признать, что достигнутые на этом пути успехи действительно впечатляли - в последних версиях ЭВМ выразительность ассемблерного листинга зачастую не уступала выразительности программы, написанной на языке высокого уровня. Одной-единственной машинной инструкцией можно было сказать практически все, что угодно. К примеру, такие машины, как DEC VAX, аппаратно поддерживали инструкции добавить элемент в очередь , удалить элемент из очереди и даже провести интерполяцию полиномом (!); а знаменитое семейство процессоров Motorola 68k почти для всех инструкций поддерживало до двенадцати (!) режимов адресации памяти, вплоть до взятия в качестве аргумента инструкции данных, записанных по адресу, записанному вон в том регистре, со смещением, записанным вот в этом регистре . Отсюда и общее название соответствующих архитектур: CISC - Complex Instruction Set Computers ( компьютеры с набором инструкций на все случаи жизни ).

На практике это привело к тому, что подобные инструкции оказалось сложно не только выполнять, но и просто декодировать (выделять из машинного кода новую инструкцию и отправлять ее на исполнительные устройства). Чтобы машинный код CISC-компьютеров из-за сложных инструкций не разрастался до огромного размера, машинные инструкции в большинстве этих архитектур имели неоднородную структуру (разное расположение и размеры кода операции и ее операндов) и сильно отличающуюся длину (в x86, например, длина инструкций варьируется от 1 до 15 байт). Еще одной проблемой стало то, что при сохранении приемлемой сложности процессора многие инструкции оказалось принципиально невозможно выполнить чисто аппаратно , и поздние CISC-процессоры были вынуждены обзавестись специальными блоками, которые на лету заменяли некоторые сложные команды на последовательности более простых. В результате все CISC-процессоры оказались весьма трудоемкими в проектировании и изготовлении. Но что самое печальное, к моменту расцвета CISC-архитектур стало ясно, что все эти конструкции изобретались в общем-то зря - исследования программного обеспечения того времени, проведенные IBM, наглядно показали, что даже программисты, пишущие на ассемблере, все эти сверхвозможности почти никогда не использовали, а компиляторы языков высокого уровня - и не пытались использовать.

К началу восьмидесятых годов классические CISC полностью исчерпали себя. Расширять набор инструкций в рамках этого подхода дальше не имело смысла, наоборот - технологи столкнулись с тем, что из-за высокой сложности CISC-процессоров оказалось трудно наращивать их тактовую частоту, а из-за тормознутости оперативной памяти тех времен зашитые в память процессора расшифровки сложных инструкций зачастую работают медленнее, чем точно такие же цепочки команд, встречающиеся в основной программе. Короче говоря, стало очевидным, что CISC-процессоры нужно упрощать - и на свет появился RISC, Reduced Instruction Set Computer.

Шаг 2. RISC

Точно так же, как когда-то CISC-процессоры проектировались под нужды asm-программистов, RISC проектировался в расчете на типовой код, генерируемый компиляторами. Для начала разработчики свели к минимуму набор инструкций и к абсолютному минимуму - количество режимов адресации памяти; упаковав все, что осталось, в простой и удобный для декодирования регулярный машинный код. В частности, в классическом варианте RISC из инструкций, обращающихся к оперативной памяти, оставлены только две (Load - загрузить данные в регистр и Store - сохранить данные из регистра; так называемая Load/Store-архитектура), и нет ни одной инструкции вроде вычисления синуса, косинуса или квадратного корня (их можно реализовать вручную ), не говоря уже о более сложных[Канонический пример - инструкция INDEX, выполнявшаяся на VAX медленнее, чем вручную написанный цикл, выполняющий ровно тот же объем работы]. Да что там синус с косинусом - в некоторых RISC-процессорах пытались отказаться даже от трудно реализуемого аппаратного умножения и деления! Правда, до таких крайностей ни один коммерческий RISC, к счастью, не дошел, но как минимум две попытки (ранние варианты MIPS и SPARC) предприняты были.

Второе важное усовершенствование RISC-процессоров, целиком вытекающее из Load/Store-архитектуры, - увеличение числа GPR (регистров общего назначения). Варианты, у которых меньше шестнадцати GPR, - большая редкость, причем почти все эти регистры полностью равноправны, что позволяет компилятору свободно распоряжаться ими, сохраняя большую часть промежуточных данных именно там, а не в стеке или оперативной памяти. В некоторых архитектурах, типа SPARC, регистровость возведена в абсолют, в некоторых - оставлена на разумном уровне; однако почти любой RISC-процессор обладает куда большим набором регистров, чем даже самый продвинутый CISC. Для сравнения: в классическом x86 IA-32 всего восемь регистров общего назначения, причем каждому из них приписано то или иное специальное назначение (скажем, в ESP хранится указатель на стек) затрудняющее или делающее невозможным его использование.

Среди прочих усовершенствований, внесенных в RISC, - такие нетривиальные идеи, как условные инструкции ARM или режимы работы команд. Например, некий модификатор в архитектуре PowerPC и некоторых других показывает, должна ли инструкция выставлять по результатам своего выполнения определенные флаги, которые потом может использовать инструкция условного перехода, или не должна. Это позволяет разнести в пространстве инструкцию, выполняющую вычисление условия, и инструкцию собственно условного перехода - что в конвейерных архитектурах зачастую позволяет процессору не гадать , будет совершен переход или нет, а сразу достоверно это знать. В классическом CISC они почти не встречаются, поскольку на момент разработки соответствующих наборов инструкций ценность этих решений была сомнительной (они выйдут на сцену только в конвейеризированных процессорах).

В чистом виде идею легкого RISC-процессора можно встретить у компании ARM с ее невероятно простыми и тем не менее весьма эффективными 32-разрядными CPU. Но простота далеко не главный показатель в процессоре, и как самоцель подход RISC в целом себя, наверное, не оправдал бы - резко уменьшившаяся сложность CPU и сопутствующее увеличение тактовой частоты и ускорение исполнения инструкций хорошо уравновешивались возросшими размерами программ и сильно упавшей их вычислительной плотностью (средним количеством вычислений на единицу длины машинного кода). К счастью, в то же время, когда начались разработки первых коммерческих RISC-процессоров, был сделан следующий шаг – введён конвейер.

 


Читайте:


Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Дэвид Паккард, один из основателей компании Hewlett-Packard

News image

За свою легендарную полувековую карьеру Дэвид Паккард оказал огромное влияние на развитие современной электронной индустрии и методов управления. Сегодня Hewlett-Packard - ...

Кто на самом деле первым открыл транзистор?

News image

К сожалению, мировая слава первооткрывателя не всегда достается тем, кто действительно был первым. Это в полной мере можно отнести к ге...

Жесткие диски для ноутбуков становятся тоньше

News image

На данный момент жесткие диски для ноутбуков могут быть толщиной 9,5 мм и 12,5 мм. Первые получили наибольшее распространение, а об...

MacBU подытоживает две тысячи девятый год

News image

Как прошел 2009 год в компании, которую традиционно принято считать вторым крупнейшим разработчиков ПО для платформы Apple Macintosh? В Microsoft Ma...

Financial Times обещает iTablet уже в следующем месяце

News image

Конец декабря редакция Financial Times решила скрасить очередной порцией слухов о планшетнике Apple. По данным издания, это устройство, покорившее заголовки СМ...

Внедрение 6-ядерных процессоров Intel Xeon может потребовать

News image

Изданию Fudzilla стали известны подробности по первому 6-ядерному процессору Intel Xeon. Он получит обозначение Core i7 980X, а его несущая тактовая ча...

VESA официально утвердила стандарт mini DisplayPort

News image

Презентованный Apple осенью 2008-го новый видеоинтерфейс mini DisplayPort (сокращенно mDP) вызвал неоднозначную реакцию, отголоски которой оставались различимыми вплоть до вчерашнего дн...

Планшетный Мак покажут 26 января?

News image

За несколько дней до начала нового 2010 года онлайн-пресса разразилась новым потоком слухов на тему планшетного компьютера Apple: сначала хорошо ос...