Архитектура процессора основанная на концепции более компактные и простые инструкции

6.2. RISC-архитектуры как компромисс между системотехническими требованиями и технологическими возможностями микроэлектроники

История развития вычислительной техники связана с постоянным стремлением создателей компьютеров повысить их производительность.

В 1949 году был создан первый компьютер EDSAC. Он мог выполнять около 100 арифметических операций в секунду при тактовой частоте 50 000 Гц. Производительность современных компьютеров возросла в десятки миллионов раз, достигнув миллиардов операций в секунду.

Работы велись и ведутся в двух направлениях:

• совершенствуется технология производства элементной базы, в результате сокращаются топологические размеры, растет степень интеграции, растут тактовые частоты;
• создаются новые архитектуры, обеспечивающие более эффективную организацию вычислительного процесса.

Если посмотреть формально, то основной вклад в повышение производительности современных компьютеров обеспечен за счет новых архи-

тектурных решений. Вклад технологической составляющей, связанной с ростом тактовой частоты, достаточно скромен.

При этом нельзя забывать, что совершенствование структуры и архитектуры компьютеров невозможно без технологического прогресса в области микроэлектроники.

По мере развития технологий, обеспечивших стремительный рост степени интеграции, микропроцессорная техника прошла путь от реализации на одной микросхеме отдельных элементов и узлов компьютера до создания на одном кристалле многопроцессорной системы.

В настоящее время одним и важнейших критериев при определении архитектуры проектируемого процессора является соответствие предъявляемых ею системотехнических требований технологическим возможностям микроэлектроники.

Одним из архитектурных решений, оказавшим существенное влияние на развитие вычислительной техники в последние три десятилетия, стала RISC (reduced instruction set computer) архитектура.

История ее создания показывает с одной стороны, какую роль в развитии вычислительной техники могут сыграть достаточно простые архитектурные решения, а с другой стороны, какое значение в реализации научно-технического проекта имеют своевременное финансирование и его успешная коммерциализация.

Далее сделаем небольшой экскурс в историю создания RISC-архитектуры. В его основу положены статьи Леонида Черняка [304,305] и Сергея Орлова [306].

Исторически первой появилась архитектура, основанная на полном наборе команд, с появлением RISC архитектуры ее стали называть CISC (complex instruction set computer).

Она характеризуется наличием большого числа сложных команд. Это число достигает нескольких сотен. Команды не имели фиксированной длины. Использовалась сложная система адресации. Все это вынуждало использовать достаточно сложные схемотехнические решения. Архитектура сформировалась эволюционно. Ее особенности были обусловлены стремлением экономить наиболее дорогостоящие ресурсы, в частности оперативную память. На начальном этапе развития вычислительной техники CISC— архитектура была доминирующей [159,160].

Появление интегральных схем существенно изменило как технические характеристики используемой при проектировании процессоров элементной базы, так и стоимость вычислительных ресурсов. Изменилась шкала ценностей: основным приоритетом стало быстродействие. Это вызвало потребность в новых архитектурных решениях.

Ответом на этот вызов стало появление RISC-архитектуры. Понятие RISC в его современном понимании стало результатом выполнения трех

исследовательских проектов по созданию процессоров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

RISC—архитектура предполагает реализацию при проектировании процессоров следующего принципа: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее.

Этот принцип был сформулирован в 1975 году группой сотрудников IBM под руководством Джона Кока [161], работавшей над созданием специализированного процессора для управления телефонной станцией. В качестве прототипа использовалась ЭВМ IBM/360. При анализе ее работы было установлено, что для решения поставленной задачи используется не весь набор команд процессора. В результате возникла идея сократить набор команд процессора.

В итоге появился проект универсального вычислительного устройства IBM 801 Project. В 1986 году на основе этого проекта 801была разработана рабочая станция IBM RT PC, а в 1990 году была создана рабочая станция RS/6000 на базе процессора POWER (Performance Optimized With Enhanced RISC) [304].

В 1980 году к идее сокращения числа команд процессора также пришли ученые из Стэндфордского университета и университета Беркли.

Им удалось получить финансирование своих исследований в рамках программы DARPA VLSI Program, целью которой была разработка универсальных наборов для создания компьютеров из готовых микросхем.

В Беркли разрабатывался однокристальный процессор, насчитывающий примерно 40 тыс. транзисторов и обеспечивающий программирование на языке Си и работу в среде ОС Unix. Он должен был составить конкуренцию компьютеру VAX-11/780 корпорации DEC. Проектом руководил Д. Паттерсон.

В итоге в 1984 году был создан 32-разрядный процессор RISC-II с 138 регистрами, работающий на частоте 3 МГц, который на целочисленных операциях по производительности превосходил VAX.

В Стэнфорде проектом руководил Д. Хеннесси. В качестве прототипа использовался компьютер PDP-10 компании DEC.

Успех RISC — архитектура во многом обусловлен ее широкой коммерциализации. Разработкой процессоров с этой архитектурой занимались компании MIPS Technology (MIPS), Hewlett — Packard (PA RISC), Sun Microsystem (SPARC), Motorola, Apple, IBM (PowerPC) и др.

Были сформированы базовые принципы RISC-архитектур:

• ограниченный набор простых команд, выполняемых за один такт;
• использование команд «регистр-регистр»;
• доступ к памяти с помощью команд загрузки и выгрузки регистров;
• аппаратное управление;
• фиксированный формат и длина команд;
• ограниченное количество методов адресации.
• конвейерное выполнение команд
• наличие большого числа регистров общего назначения;

Этот список можно было бы дополнять. Необходимо подчеркнуть еще раз, что в основе всего лежит идея использования небольшого числа простых команд, позволившая существенно упростить устройство управления процессора, благодаря чему появилась возможность перераспределить площадь кристалла между функциональными устройствами процессора (увеличив, в частности сверхоперативную память).

Один из наиболее значимых результатов продвижения на рынок процессоров RISC-архитектуры — это известная PowerPC, которая является детищем альянса Apple, IBM и Motorola(AIM).

Это самый типичный, если не классический RISC—процессор. Существуют 32- и 64-разрядные версии PowerPC (причем 64-разрядные совместимы с 32-разрядным кодом), а равно и ряд стандартизованных расширений (набора инструкций AltiVec).

Достаточно долго RISC и CISC-архитектуры противопоставлялись друг другу. Но уже сегодня можно сказать, что грань между ними практически стерлась.

Ярким примером объединения идеи CISC— и RISC-процессоров является методика построения процессоров, основанная на концепции EPIC.

Основные принципы архитектуры EPIC были разработаны в университете Иллинойса. Архитектура EPIC объединяет различные технологические решения, которые обеспечивают существенное повышение скорости обработки и решение некоторых проблем трансляции программ. К этим решениям относятся:

• поддержка явно выделенного компилятором параллелизма;
• наличие большого регистрового файла;
• наличие предикатных регистров;
• спекулятивная загрузка данных из оперативной памяти;
• поддержка предикатного выполнения команд;
• аппаратная поддержка программной конвейеризации;
• механизм переименования регистров;
• наличие стека регистров;
• использование поддержки компилятора для предсказания инструкций;
• поддержка инструкций циклического выполнения команд.

Эта концепция была реализована компанией Intel в процессоре Itanium.

В заключении следует отметить.

1. RISC-архитектура является хорошей иллюстрацией того, что любая предлагаемая архитектура должна соответствовать имеющимся технологиям.
2. Упех RISC-технологий был обусловлен максимальной консолидацией финансовых и интеллектуальных ресурсов США под эгидой Агентства по прорывным исследовательским проектам в области обороны, успешное продвижение инновационной технологии обеспечила коммерциализация инновационного проекта, изменившего стратегию создания изделий вычислительной техники.

Решение:

Необходимо
определить значение F на заданных трех
наборах значений логических
переменных.
Подставим значения
логических переменных
 в
логическое выражение F.

 и
в таблице

Подставим
второй набор значений логических
переменных
 в
логическое выражение F.

 и
в таблице

При
подстановке третьего набора значений
логических переменных
 в
логическое выражение F

 и
в таблице

Таким
образом, при одинаковых наборах значений
логических переменных значения
логического выражения       и
значения логической функции F
совпадают. Итак, правильный ответ

  Задание
N 7.

Архитектура
процессора, основанная на концепции
«более компактные и простые инструкции
выполняются быстрее», – это  ________
архитектура.

Решение:

Принцип
«более компактные и простые инструкции
выполняются быстрее» соответствует
RISC-архитектуре
процессоров.
RISC (англ. Reduced
Instruction Set Computer)
 – компьютер с сокращённым набором
команд. Простая архитектура позволяет
удешевить процессор, поднять тактовую
частоту, а также распараллелить исполнение
команд между несколькими блоками
исполнения. Первые RISC-процессоры были
разработаны в начале 1980-х годов в
Стэнфордском и Калифорнийском
университетах США. Они выполняли
небольшой (50–100) набор команд.

Задание
N 8.

COM-порты
компьютера обеспечивают …

Решение:

COM-порты
служат для связи компьютера с внешними
устройствами и обеспечивают синхронную
или асинхронную последовательную
побитовую
передачу данных.
В
общем случае они являются двунаправленными.
Ранее последовательный порт использовался
для подключения модема или мыши. Сейчас
он применяется для соединения с
источниками бесперебойного питания,
для связи с аппаратными средствами
разработки встраиваемых вычислительных
систем.

  Задание
N 9.

Программы
начального тестирования и загрузки
компьютера хранятся …

Решение:

Программы
начального тестирования, загрузки и
базовой системы ввода/вывода персонального
компьютера хранятся в
микросхеме постоянного запоминающего
устройства (ПЗУ), расположенной на
системной плате.
Это необходимо для того, чтобы компьютер
мог начать функционировать после
включения питания независимо от наличия
и состава дополнительных видов памяти,
таких как винчестер, CD-ROM и т.д.

Задание
N 10.

К
устройствам координатного ввода данных
относятся…мышь,
джойстик, трекбол

Задание
N 11.

Установите
соответствие между классами служебных
программных средств и названиями
конкретных программ.
1. Диспетчеры
файлов (файловые менеджеры) Total
Commander
2.
Средства сжатия данных (архиваторы)
WinZip
3.
Средства компьютерной безопасности
DrWeb
4.
Средства просмотра и конвертации Adobe
Reader

Решение:

Служебные
программы (утилиты) – это программы,
используемые для выполнения вспомогательных
функций, таких как работа с файлами и
папками, диагностирование аппаратуры,
просмотр и конвертирование  файлов,
оптимизация дискового пространства,
восстановление поврежденной информации,
антивирусные средства и т.д.
Диспетчеры
файлов
(файловые менеджеры). С их помощью
выполняется большинство операций по
обслуживанию файловой структуры:
копирование, перемещение, переименование
файлов, создание каталогов (папок),
уничтожение объектов, поиск файлов и
навигация в файловой структуре. Базовые
программные средства содержатся в
составе программ системного уровня и
устанавливаются вместе с операционной
системой (Far Manager, Total Commander, Frigate).
 Средства
сжатия данных
(архиваторы). Предназначены для создания
архивов. Архивные файлы имеют повышенную
плотность записи информации и
соответственно, эффективнее используют
носители информации (WinZip, WinRAR).
Средства
просмотра и конвертации.
Чтобы работать с файлами, их необходимо
загрузить в «родную» прикладную программу
и внести необходимые исправления. Но,
если редактирование не нужно, существуют
универсальные средства для просмотра
(текста и картинок) или воспроизведения
(музыки или видео) данных. В последнее
время техническая документация
поставляется в формате .PDF.
Для работы с этим форматом существует
программа Acrobat Reader от компании
Adobe.
Средства
компьютерной безопасности.
К ним относятся средства пассивной и
активной защиты данных от повреждения,
несанкционированного доступа, просмотра
и изменения данных. Средства пассивной
защиты – это служебные программы,
предназначенные для резервного
копирования. Средства активной защиты
применяют антивирусное программное
обеспечение. Для защиты данных от
несанкционированного доступа, их
просмотра и изменения используют
специальные системы, базирующиеся на
криптографии.

  Задание
N 12.

Диалоговое
окно Печать
не
содержит
такого элемента управления, как …

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

RISC-архитектура — компьютер с уменьшенным набором инструкций. Является типом микропроцессорной архитектуры, которая использует небольшой оптимизированный набор инструкций в отличие от предшестувующих типов архитектур с расширенным набором алгоритмических данных. Термин RISC был придуман Дэвидом Паттерсоном из проекта Berkeley RISC.

Определение

Компьютер с ограниченным набором команд — это устройство, чья архитектура набора инструкций (ISA) имеет набор атрибутов, который позволяет ему иметь более низкие циклы на инструкцию (CPI), чем сложная команда, установленная на компьютер (CISC). Общая концепция RISC — это концепция компьютера, который содержит небольшой набор простых и общих алгоритмов, но не расширенный набор сложных и специализированных последовательностей. Другим распространенным признаком RISC является архитектура загрузки/хранения, где доступ к памяти осуществляется только с помощью определенных инструкций.

История и развитие

Первые проекты RISC пришли из IBM, Stanford и UC-Berkeley в 70-х и 80-х гг. ХХ века. IBM 801, Stanford MIPS и Berkeley RISC I и II были разработаны с аналогичной философией, которая стала известна как RISC. Некоторые особенности дизайна были характерны для большинства RISC-процессоров:

• Время выполнения одного цикла: процессоры имеют CPI — время на выполнение инструкции одного цикла. Это связано с оптимизацией каждой команды на CPU.
• Конвейерная обработка: технический алгоритм, который позволяет одновременное выполнение частей или этапов инструкций для более эффективного обработки инструкций.
• Большой перечень регистров: философия дизайна RISC обычно включает большее количество регистров для предотвращения чрезмерного количества взаимодействий с памятью.

  

Хотя ряд компьютеров 1960-х и 70-х годов являлись предшествующими моделями RISC, современная концепция относится к 1980-м годам. В частности, два проекта в Стэнфорде и Калифорнийском университете масштабируют эту концептуальную идею. Стэнфордский MIPS станет коммерчески успешной моделью, в то время как университет в Беркли дал название всей концепции, коммерциализированной как SPARC. Другим успехом этой эпохи были усилия IBM, которые в конечном итоге привели к Power Architecture. По мере развития этих направлений в конце 1980-х гг., и особенно в начале 1990-х гг., процветало множество подобных проектов, представляющих собой основную силу на рынке рабочих станций Unix, а также встроенные процессоры в лазерных принтерах, маршрутизаторах и аналогичных продуктах.

Плюсы и минусы архитектуры RISC

Простейший способ изучить преимущества и уязвимости архитектуры RISC — это сопоставить ее с предшествующей архитектурой CISC. Основная цель архитектуры CISC — завершить задачу за меньшее количество линий сборки. Это достигается за счет создания процессорного оборудования, способного понимать и выполнять ряд операций. Для этой конкретной задачи процессор CISC выпускается с конкретной инструкцией (MULT). При выполнении эта команда загружает два значения в отдельные регистры, умножает операнды в исполнительном модуле и затем сохраняет продукт в соответствующем регистре. Таким образом, вся задача умножения двух чисел может быть завершена одной инструкцией: MULT 2: 3, 5: 2. CISC и RISC-архитектура — предшествующее и последующее архитектурное решение.

MULT — это то, что известно как «сложная инструкция». Команда работает непосредственно в банках памяти компьютера и не требует, чтобы программист явно вызывал любые функции загрузки или сохранения. Она очень похожа на команду на языке более высокого уровня. Например, если мы допустим, что a представляет значение 2:3, а b представляет значение 5:2, то эта команда идентична выражению C a = a * b.

Одно из основных преимуществ этой системы заключается в том, что компилятор должен выполнить минимум работы, чтобы перевести формулировку языка высокого уровня в сборку. Поскольку длина кода относительно короткая, для хранения инструкций требуется очень небольшое ОЗУ. При сравнительном анализе CISC и RISC-архитектуры процессоров акцент ставится на реализации сложных инструкций непосредственно в аппаратном обеспечении.

Подход RISC

Процессоры RISC используют только элементарные инструкции, которые выполняются за один такт. Таким образом, описанная выше команда MULT может быть разделена на три отдельные команды: LOAD, которая перемещает данные из банка памяти в регистр PROD, который находит произведение двух операндов, расположенных внутри регистров, и STORE, который перемещает данные из регистра в банки памяти. Чтобы выполнить точный ряд шагов, описанных в подходе CISC, программисту необходимо будет закодировать четыре строки сборки:

LOAD A, 2:3.
LOAD B, 5:2.
PROD A, B.
STORE 2:3, А.

Изначально это может показаться гораздо менее эффективным способом завершения операции, поскольку существует больше строк кода и для хранения инструкций уровня сборки требуется больше ОЗУ. Компилятор также должен выполнить больше работы, чтобы преобразовать формулировку языка высокого уровня в код этой формы.

Сравнение CISC и RISC

Ниже представлены сравнительные данные CISC и RISC-архитектуры:

CISC:

• Акцент на аппаратном обеспечении.
• Включает многочасовые сложные инструкции.
• Небольшие размеры кода, высокие циклы в секунду.
• Транзисторы, используемые для хранения сложных инструкций.

RISC:

• Акцент на программном обеспечении.
• Сокращенная инструкция, не требующая большого количества времени.
• Низкие циклы в секунду, большие размеры кода.
• Тратит больше транзисторов на регистрах памяти.

Стратегия RISC вносит некоторые очень важные преимущества. Поскольку каждая команда требует выполнения только одного такта, вся программа будет выполняться примерно в такое же количество времени, что и многоцилиндровая команда MULT. Эти «сокращенные инструкции» RISC требуют меньше транзисторов аппаратного пространства, чем сложные инструкции, оставляя больше места для общих регистров. Поскольку все инструкции выполняются в единое время (например, один такт), возможна конвейерная обработка.

Характеристика процесса

Разделение инструкций LOAD и STORE фактически уменьшает объем работы, которую должен выполнить компьютер. После выполнения команды MULT в стиле CISC процессор автоматически стирает регистры. Если один из операндов необходимо использовать для другого вычисления, процессор должен перезагрузить данные из банка памяти в регистр. В RISC операнд останется в регистре, пока на нем не будет загружено другое значение.

Подход CISC пытается минимизировать количество инструкций для каждой программы, жертвуя количеством циклов на инструкцию. RISC же, наоборот, уменьшает количество циклов за счет инструкций для каждой программы.

Сложности коммерцеской реализации

Несмотря на преимущества обработки на основе RISC, прошли десятилетия прежде, чем чипы RISK были коммерчески востребованы. Во многом это было связано с отсутствием поддержки программного обеспечения.

Хотя линейка Power Macintosh от Apple, в которой использовались чипы на основе RISC и Windows NT, совместима с RISC, Windows 3.1 и Windows 95 были разработаны с учетом процессоров CISC. Многие компании не желали рисковать появляющейся технологией RISC. Без коммерческого интереса разработчики процессоров не смогли изготовить чипы RISC в достаточно больших объемах, чтобы сделать их цену конкурентоспособной.

Еще одним серьезным препятствием стало присутствие Intel. Несмотря на то, что их чипы CISC стали все более громоздкими и сложными в разработке, Intel обладала ресурсами для разработки мощных процессоров. Хотя чипы RISC могли превзойти усилия Intel в определенных областях, различия не были достаточно велики, чтобы убедить покупателей менять технологии.

Общее преимущество RISC

Сегодня Intel x86 является единственным чипом, который сохраняет архитектуру CISC. Это связано прежде всего с продвижением в других областях компьютерной техники. Цена ОЗУ резко снизилась. В 1977 году 1 МБ DRAM стоил около 5000 долларов. К 1994 году такой же объем памяти стоит всего 6 долларов США (с учетом инфляции). Технология компилятора также стала более сложной, так что использование RISC RAM и акцент на программное обеспечение стали идеальными.

Философия набора инструкций

Ошибочным пониманием определения RISK является идея того, что процедуры устраняются, что приводит к сокращенному набору алгоритмов. На протяжении многих лет процедуры RISC увеличивались, и в настоящее время многие из них имеют более широкий набор функций, чем CPU CISC.

Под термином «уменьшенный набор процедур» подразумевается описание того факта, что объем работы, выполняемый каждой инструкцией, сокращается (не более одного цикла памяти) сравнительно с усложненными процедурами CISC, которые требуют десятки циклов для выполнения одной команды. RISC-архитектура обычно имеет отдельные алгоритмы ввода-вывода и работы с данными.

Формат инструкции

Большинство архитектур RISC имеют инструкции с фиксированной длиной (обычно 32 бита) и простое кодирование, что значительно упрощает выборку, декодирование и выдачу логики. Одним из недостатков 32-разрядных инструкций является снижение плотности кода, что является неблагоприятным фактором для встроенных вычислений на рабочих станциях и серверах. Архитектуры RISC изначально были предназначены для обслуживания. Для решения этой проблемы несколько архитектур, таких как ARM, Power ISA, MIPS, RISC-V и Adipteva Epiphany, имеют необязательный короткий сокращенный формат инструкции или функцию сжатия команд. SH5 также следует этой схеме, хотя и развился в обратном направлении, добавив более длинные мультимедийные инструкции к оригинальной 16-битной кодировке.

Использование оборудования

Для любого заданного уровня общей производительности микросхема RISC, как правило, имеет гораздо меньше транзисторов, предназначенных для основной логики, которая первоначально позволяла дизайнерам увеличивать размер регистров и внутренний параллелизм.

Другие функции, которые обычно встречаются в архитектурах RISC:

• Средняя производительность процессора приближается к одной инструкции за цикл.
• Единый формат инструкции — используется одно слово с кодом операции в одних и тех же позициях для более простого декодирования.
• Все регистры общего назначения могут использоваться в качестве источника/назначения во всех инструкциях, упрощая разработку компилятора (регистры с плавающей запятой часто сохраняются отдельно).
• Простые режимы со сложной адресацией, выполняемые последовательностями команд.
• Несколько типов данных в аппаратном обеспечении (например, байтовая строка или BCD).

В RISC-конструкциях также представлена модель памяти Гарварда, где команды и данные концептуально разделены. Это означает, что изменение памяти, в которой хранится код, может не повлиять на инструкции, выполняемые процессором (поскольку ЦП имеет отдельный кэш команд и данных), до тех пор, пока не будет выдана специальная инструкция синхронизации. С другой стороны, это позволяет одновременно обращаться к кэшам, что часто повышает производительность.

Особенности RISC-архитектуры

На начальном этапе развития компьютерной индустрии программирование проводилось на языке ассемблера или машинного кода, что поощряло использование мощных и простых в использовании инструкций. Поэтому разработчики ЦП пытались проектировать алгоритмы, способные выполнять как можно большую работу. С появлением языков более высокого уровня архитекторы начали создавать специальные инструкции для непосредственного внедрения определенных центральных механизмов. Вторая общая цель заключалась в том, чтобы обеспечить все возможные режимы адресации для каждого алгоритма, известного как ортогональность, для облегчения реализации компилятора.

Отношение к тому времени заключалось в том, что дизайн аппаратного обеспечения был более зрелым, чем дизайн компилятора, поэтому сам по себе также является причиной внедрения частей функциональности в аппаратном или микрокоде, а не только в ограниченном памятью компиляторе (или в его сгенерированном коде). После появления RISC этот подход стал известен как сложные вычисления набора команд, или CISC.

У процессоров также было относительно мало регистров по нескольким причинам:

• Большое количество регистров подразумевает более длительное сохранение и восстановление содержимого в стеке машины и требует большого количества битов команд в качестве спецификаторов, что означает менее плотный код.
• Регистры CPU стоят дороже, чем внешние ячейки памяти.
• Ограниченность печатных плат или интегрированных микросхем.

  

Практическое применение

RISC-архитектура процессора теперь используются на большом спектре платформ: от смартфонов и планшетных ПК до некоторых из самых высокопродуктивных суперкомпьютеров, таких как компьютер K (лидер списка топ-500 в 2011 г.).

К началу XXI века большинство низкопрофильных и мобильных систем основывались на архитектуре RISC. Примеры:

• Архитектура ARM доминирует на рынке для маломощных и недорогих встроенных систем (200-1800 МГц в 2014 году). Она применяется в ряде большинства Android-систем, Apple iPhone и iPad, Microsoft Windows Phone (бывшая Windows Mobile), устройства RIM (topic.risc.архитектура), Nintendo Game Boy Advance, DS/3DS и Switch.
• Линия MIPS (в какой-то момент используется во многих компьютерах SGI ), а теперь — в PlayStation, PlayStation 2, Nintendo 64 (ipb.risc.архитектура), игровых консолях PlayStation Portable и шлюзах для жилых помещений, таких как Linksys WRT54G .
• Hitachi SuperH, использующийся в Sega Super 32X, Saturn и Dreamcast (viewtopic.php.risc.архитектура), теперь разработан и продан Renesas как SH4.
• Atmel AVR используется в разных продуктовых линейках: от портативных контроллеров Xbox до автомобилей BMW .
• RISC-V (vbulletin.risc.архитектура), пятый Berkeley RISC ISA с открытым исходным кодом, с 32-разрядным адресным пространством, небольшим ядром целочисленного набора команд, экспериментальной «сжатой» ISA для плотности кода и предназначенной для стандартных и специальных расширений.
• Рабочие станции, серверы и суперкомпьютеры.
• MIPS (powered.by.smf.risc.архитектура), Silicon Graphics (в 2006 году прекратила создание систем на основе MIPS).
• SPARC, Oracle (ранее Sun Microsystems ) и Fujitsu (phorum.risc.архитектура).
• Архитектура IBM Power Architecture, применяемая в большинстве суперкомпьютеров IBM, серверах усредненного уровня и терминальных станциях.
• PA-RISC Hewlett-Packard (phpbb.risc.архитектура), также именуемый как HP-PA (прекращен в конце 2008 года).
• Alpha, используется в одноплатных компьютерах, рабочих станциях, серверах и суперкомпьютерах от Digital Equipment Corporation, Compaq и HP (прекращено с 2007 года).
• RISC-V (powered.by.phpbb.risc.архитектура), пятый Berkeley RISC ISA, с открытым исходным кодом, с 64 или 128-битными адресными пространствами и целым ядром, расширенным с плавающей точкой, атомизацией и векторной обработкой, и разработанный для расширения с инструкциями для сетей, ввода-вывода, обработки данных. 64-битный суперскалярный дизайн Rocket доступен для скачивания.

Сравнение с другими архитектурами

Некоторые процессоры были специально разработаны с очень небольшим набором инструкций, но эти конструкции значительно отличаются от традиционных RISC-архитектур, поэтому им были предоставлены другие данные, такие как минимальный набор команд (MISC) или транспортная инициированная архитектура (TTA).

Архитектуры RISC традиционно имели мало успехов на рынке настольных ПК и товарных серверов, где платформы на базе x86 остаются доминирующей архитектурой процессора. Однако это может измениться, поскольку процессоры на базе архитектуры ARM разрабатываются для систем с более высокой производительностью. Производители, включая Cavium, AMD и Qualcomm, выпустили серверные процессоры на базе архитектуры ARM. ARM также сотрудничала с Cray в 2017 году, чтобы создать суперкомпьютер на базе архитектуры ARM. Компания-лидер компьютерной индустрии Microsoft объявила, что в рамках партнерства с Qualcomm в 2017 году планируется поддержка ПК-версии Windows 10 на устройствах на базе Qualcomm Snapdragon. Эти устройства будут поддерживать программное обеспечение Win32 на базе x86 с помощью эмулятора процессора x86.

Тем не менее помимо настольной арены архитектура ARM RISC широко используется в смартфонах, планшетах и ​​многих формах встроенного устройства. Также Intel Pentium Pro (P6) использует внутреннее RISC-процессорное ядро ​​для своих процессоров.

В то время как начальные разработки RISC-архитектуры процессора значительно отличались от инновационных проектов CISC, к 2000 году самые высокопроизводительные процессоры в линейке RISC почти не отличаются от самых высокопроизводительных процессоров в линии CISC.

Прежде чем рассмотреть основные виды архитектур процессоров, необходимо понять, что это такое. Под архитектурой процессора обычно понимают две совершенно разные сущности.

С программной точки зрения архитектура процессора — это совместимость с определённым набором команд (Intel x86), их структуры (система адресации, набор регистров) и способа исполнения (счётчик команд).

Говоря простым языком, это способность программы, собранной для архитектуры x86, работать практически на любой x86-совместимой системе. При этом такая программа не будет работать, например, на ARM системе.

С аппаратной точки зрения архитектура процессора — это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (Skylake – процессоры Intel Core 5 и 6 поколений).

Если тема кажется сложной, можно начать со статьи о том, чем CPU отличается от GPU.

Виды архитектур

В этой статье мы рассмотрим самые распространенные и актуальные архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

CISC

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров.

Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее.

Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине.

Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах.

Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.

VLIW

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам. Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор.

Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Виртуальные архитектуры

Но раз нельзя запустить программу одной архитектуры на другой, то откуда берутся магические JAR-файлы, которые можно запустить на любой машине? Это пример виртуальной JVM-архитектуры, которая, по сути, эмулируется на целевой реальной машине. Поэтому достаточно JVM-машины для целевой архитектуры для запуска на ней любой Java-программы. Другим примером виртуальной архитектуры является .NET CIL.

Из минусов виртуальных архитектур можно выделить меньшую производительность по сравнению с реальными архитектурами. Этот минус нивелируется с помощью JIT- и AOT-компиляции. Однако большим плюсом будет кроссплатформенность.

Дальнейшим развитием этих архитектур стали гибридные архитектуры. Например современные x86_64 процессоры хотя и CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд. Какое дальнейшее развитие получат архитектуры процессора, покажет только время.

Иван Борисов

более компактные и простые инструкции выполняются быстрее ~ это архитектура

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-05

Архитектура процессора, основанная на концепции «более компактные и простые инструкции выполняются быстрее», – это  ________ архитектура.

RISC- 

В слоты расширения могут подключаться…

Видеокарты

звуковые адаптеры 

В USB флеш-накопителях (флеш-картах) используется …

электронная энергонезависимая перезаписываемая память

Гарвардская архитектура вычислительной системы отличается от принстонской …

 раздельной памятью для команд и данных

К основным характеристикам центрального процессора относятся…

тактовая частота

объем встроенной кэш-памяти 

разрядность

К устройствам координатного ввода данных относятся….

мышь, джойстик, трекбол

К базовой конфигурации персонального компьютера относится…

системный блок

монитор

клавиатура

К основным характеристикам монитора или проектора не относятся(-ятся) …

число точек на дюйм

Конвейерной обработке данных наиболее соответствует архитектура ЭВМ …

 MISD – множественный поток команд и одиночный поток данных 

Минимальный перечень устройств, необходимых для работы каждой ЭВМ архитектуры Джона фон Неймана, обязательно включает в себя …

Процессор

оперативную память

устройства ввода-вывода

Один из физических каналов ввода-вывода компьютера – разъем –  называется аппаратным(-ой) …

портом

Программы начального тестирования и загрузки компьютера хранятся …

в ПЗУ (постоянном запоминающем устройстве)

Плоттер – это устройство, служащее для …

вывода информации

Процессоры на основе x86 команд, вплоть до Pentium 4, имели _________ архитектуру.

 CISC

Промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена, называют …

кэш-памятью 

Регистрацию растровых изображений способны обеспечить …

Сканеры

Регенерация, т.е. периодическое восстановление состояния ячеек памяти, является атрибутом …

динамической оперативной памяти

Разрешающей способностью (разрешением) монитора является …

количество точек (пикселей) изображения по горизонтали и вертикали экрана

Системная шина компьютера включает в себя…

шину управления

шину адреса

 шину данных

Согласно классификации параллельных архитектур по Флинну ЭВМ, построенные по принципам фон Неймана, относят к типу …

 SISD – один поток команд, один поток данных

Самой быстродействующей памятью персонального компьютера является …

оперативная память 

Характеристикой сканера, определяющей качество получаемых цифровых изображений, служит(-ат)  …

число точек на дюйм