Архитектура CISC

Типы микропроцессоров

 

 Все микропроцессоры можно разделить на группы:

 

1)Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2)Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

3)Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

 

 Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы  команд и весьма высоким быстродействием  и др.

  

 

 К основным  относят группы CISC и RISC.

 

СISC-процессоры: Complex Instruction Set Computing — вычисления со сложным набором команд. Процессорная архитектура, основанная на усложнённом наборе команд.

 

RISC-процессоры: Reduced Instruction Set Computing (technology) — вычисления с сокращённым набором команд. Архитектура процессоров, построенная на основе сокращённого набора команд. Характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.

 

 

 

Микропроцессоры типа CISC

 

 Микропроцессор CISC использует  набор машинных инструкций, полностью  соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

 

  Для CISC-процессоров характерно:

 

- сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

 

 -большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

 

 -большое количество методов адресации;

 

 -большое количество форматов команд различной разрядности;

 

- преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

 

 

 Организация первых  моделей процессоров - i8086/8088 - была  направлена, в частности, на сокращение  объёма программ, критичного для  систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере “выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата”.

 

 Эти недостатки  обусловили необходимость разработки  альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает “чипы с сокращённой системой команд” (Reduced Instruction Set Computer).

 

-арифметические действия кодируются в одной команде; Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer   что в переводе означает компьютер с комплексным набором команд) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за большое число тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Свойства:

-нефиксированное значение  длины команды;

 

-небольшое число регистров,  каждый из которых выполняет  строго определённую функцию.

 

Типичными представителями  являются процессоры на основе команд x86 (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0.

 

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров  построена по архитектуре Intel x86 (или  х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

 

В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в  команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать  несколько RISC-команд (в случае процессоров  типа P6 — до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

 

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как  известно, что любой CISC-процессор  уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Недостатки CISC архитектуры

-высокая стоимость  аппаратной части;

-сложности с распараллеливанием  вычислений.

 

Методика построения системы команд CISC противоположна другой методике - RISC. Различие этих концепций состоит в методах программирования, а не в реальной архитектуре процессора. Практически все современные процессоры эмулируют наборы команд как RISC так и CISC типа.

 

В рабочих станциях, серверах среднего звена и персональных компьютерах используются процессоры с CISC. Наиболее распространенная архитектура команд процессоров мобильных уcтройств - SOC и мэйнфреймов - RISC. В микроконтроллерах различных устройств RISC используется в подавляющем большинстве случаев.

 

 

Популярные  процесссоры CISC

 

 К наиболее популярным CISC-процессорам  относят: 

 

Микропроцессоры фирмы Intel: В 1985 г фирма Intel выпускает микропроцессор 80386. Кристалл на котором он был выполнен стал родоначальником нового поколения микропроцессоров.

 

Микропроцессоры фирмы  АМD.: фирма AMD производит 486DX-40, 486DX2-50, 486DX2-66. Готовятся к выпуску процессоры 486DX2-80 и 486DX4-120. Они обеспечивают полную совместимость со всеми ориентированными на платформу Intel программными продуктами и такую же производительность, как и аналогичные изделия фирмы Intel (при одинаковой тактовой частоте). Кроме того, они предлагаются по более низким ценам, а процессор на 40 MHz отсутствующий в производственной программе Intel, конкурирует с 486DX-33, превосходя его по произ- водительности на20 процентов при меньшей стоимости.

 

Микропроцессоры фирмы Cyrix: фирма Cyrix разработала процессоры М6 и М7 (аналоги 486SX и 486DX 2) на тактовые частоты 33 м 40 MHz, а также с удвоением  частоты DX2-50 и DX2-66. Они имеют более  быстродействующую внутреннюю кэш-память 8 КВ с обратной записью и более быстрый встроенный сопроцессор. По некоторым операциям производительность выше, чем у процессоров фирмы Intel, по некоторымнесколько ниже. Соответственно, существенно различаются и результаты на разных тестирующих программах. Цены на 486 процессоры Cyrix значительно ниже, чем на Intel и AMD.

 

Микропроцессоры фирмы  Моtorola серии МС680ХХ: это семейство  содержит ряд 16 -разрядных микропроцессоров, 32 -разрядные микропроцессоры : 68020, 68030, 68040. Модели микропроцессоров серии 680ХХ не совместимы по обьектным кодам с 8 -разрядными микропроцессорами серии МС68ХХ

 

 

 

Другие типы микропроцессоров

 

 В попытке достижения  компромисса между CISC и RISC были  созданы микропроцессоры типа VLIW. Хотя идеи VLIW сформулированы уже давно, до настоящего времени они были известны в основном специалистам в области компьютерных архитектур. Имеющиеся реализации, например, VLIW Multiflow, не получили широкого распространения. Пожалуй, единственными популярными процессорами, архитектура которых близка к VLIW, была линия AP-120B/FPS-164/FPS-264 компании Floating Point Systems, которые в 80-е годы активно применялись при проведении научно-технических расчетов.

 

 Команда в этих  системах содержала ряд полей,  каждое из которых управляло работой отдельного блока процессора, так что все командное слово определяло поведение всех блоков процессора [5]. Однако длина команды в FPS-х64 была равна всего 64 разрядам, что по современным меркам никак нельзя отнести к сверхбольшим.

 

 Выделение в архитектуре  VLIW компонентов командного слова,  управляющих отдельными блоками  МП, вводит явный параллелизм  на уровень команд. Задача обеспечения  эффективного распараллеливания  работы отдельных блоков возлагается  при этом на компилятор, который должен сгенерировать машинные команды, содержащие явные указания на одновременное исполнение операций в разных блоках. Таким образом, достижение параллелизма, обеспечиваемое в современных суперскалярных RISC-процессоров их аппаратурой, в VLIW возлагается на компилятор. Очевидно, что это вызывает сложные проблемы разработки соответствующих компиляторов. При этом распараллеливание работы между ФУ в EPIC происходит статически при компиляции, в то время как современные суперскалярные RISC-процессоры осуществляют это динамически.

 

 

 

К типу CISC можно отнести практически все ВМ, выпускавшиеся до середины 1980-х годов, и значительную часть производящихся в настоящее время. Рассмотренный способ решения проблемы семантического разрыва вместе с тем ведет к усложнению аппаратуры ВМ, главным образом устройства управления, что, в свою очередь, негативно сказывается на производительности ВМ в целом. Это заставило более внимательно проанализировать программы, получаемые после компиляции с ЯВУ. Был предпринят комплекс исследований, в результате которых обнаружилось, что доля дополнительных команд, эквивалентных операторам ЯВУ, в общем объеме программ не превышает 10-20%, а для некоторых наиболее сложных команд даже 0,2%. В то же время объем аппаратных средств, требуемых для реализации дополнительных команд, возрастает весьма существенно. Так, емкость микропрограммной памяти при поддержании сложных команд может увеличиваться на 60%. Детальный анализ результатов упомянутых исследований привел к серьезному пересмотру традиционных решений, следствием чего стало появление RISC-архитектуры. Термин RISC впервые был использован Д. Паттерсоном и Д. Дитцелем в 1980 году. Идея заключается в ограничении списка команд ВМ наиболее часто используемыми простейшими командами, оперирующими данными, размещенными только в регистрах процессорах. Обращение к памяти допускается лишь с помощью специальных команд чтения и записи. Резко уменьшено количество форматов команд и способов указания адресов операндов. Сокращение числа форматов команд и их простота, использование ограниченного количества способов адресации, отделение операций обработки данных от операций обращения к памяти позволяет существенно упростить аппаратные средства ВМ и повысить их быстродействие. RISC-архитектура разрабатывалась таким образом, чтобы уменьшить TВИЧ за счет сокращения CPI и I/. Как следствие, реализация сложных команд за счет последовательности из простых, но быстрых RISC-команд оказывается не менее эффективной, чем аппаратный вариант сложных команд в CISC-архитектуре. Отметим, что в последних микропроцессорах фирмы Intel и AMD широко используются идеи, свойственные RISC-архитектуре, так что многие различия между CISC и RISC постепенно стираются.

Помимо CISC- и RISC-архитектур в общей классификации был  упомянут еще один тип АСК — архитектура с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). Концепция VLIW базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. В плане АСК архитектура VLIW сравнительно мало отличается от RISC. Появился лишь дополнительный уровень параллелизма вычислений, в силу чего архитектуру VLIW логичнее адресовать не к вычислительным машинам, а к вычислительным системам. Таблица позволяет оценить наиболее существенные различия в архитектурах типа CISC, RISC и VLIW.

 

Сравнительная оценка CISC-, RISC- и VLIW-архитектур

Характеристика	CISC	RISC	VLIW
Длина команды	Варьируется	Единая	Единая
Расположение нолей  В команде	Варьируется	неизменно	Неизменное
Количество регистров	Несколько(часто специализированных)	Много регистров  общего назначения	Много регистров общего назначения
Доступ у памяти	Может выполняться как  часть команды различных типов	Выполняется только специальными командами	Выполняется только специальными командами