Лекция "RISC и CISC архитектура."

билет 22 тема 1 28     CISC   RISC    и      архитектура. При   проектировании   суперминикомпьютеров   на   базе   последних   достижений   СБИС­технологии оказалось невозможным полностью перенести в нее архитектуру удачного компьютера, выполненного на другой элементной базе. Такой перенос был бы очень неэффективен из­за технических ограничений на ресурсы кристалла: площадь, количество транзисторов, мощность рассеивания и т. д. Для снятия указанных ограничений в Беркли (США, Калифорния) была разработана RISC(Restricted (reduced) instruction set computer)­архитектура (регистро­ориентированная архитектура). Компьютеры с   такой   архитектурой   иногда   называют   компьютерами   с   сокращенным   набором   команд.   Суть   ее состоит в выделении наиболее употребительных операций и создании архитектуры, приспособленной для   их   быстрой   реализации.   Это   позволило   в   условиях   ограниченных   ресурсов   разработать компьютеры с высокой пропускной способностью. Основные принципы RISC­архитектуры В   компьютерной   индустрии   наблюдается   настоящий   бум   систем   с   RISC­архитектурой.   Рабочие станции и серверы, созданные на базе концепции RISC, завоевали лидирующие позиции благодаря своим исключительным характеристикам и уникальным свойствам операционных систем типа UNIX, используемых на этих платформах. В самом начале 80­х годов почти одновременно завершились теоретические исследования в области RISC­архитектуры,   проводившиеся   в   Калифорнийском,   Стэнфордском   университетах,   а   также   в лабораториях фирмы IBM. Особую значимость имеет проект RISC­1, который возглавили профессора Давид Паттерсон и Карло Секуин. Именно они ввели в употребление термин RISC и сформулировали четыре основных принципа RISC­архитектуры: *  каждая команда независимо от ее типа выполняется за один машинный цикл, длительность которого должна быть максимально короткой; *   все команды должны иметь одинаковую длину и использовать минимум адресных форматов, что резко упрощает логику центрального управления процессором; *  обращение к памяти происходит только при выполнении операций записи и чтения, вся обработка данных осуществляется исключительно в регистровой структуре процессора; *  система команд должна обеспечивать поддержку языка высокого уровня. (Имеется в виду подбор системы команд, наиболее эффективной для различных языков программирования.) Со временем трактовка некоторых из этих принципов претерпела изменения. В частности, возросшие возможности   технологии   позволили   существенно   смягчить   ограничение   состава   команд:   вместо полусотни   инструкций,   использовавшихся   в   архитектурах   первого   поколения,   современные   RISC­ процессоры   реализуют   около   150   инструкций.   Однако   основной   закон   RISC   был   и   остается незыблемым: обработка данных должна вестись только в рамках регистровой структуры и только в формате команд "регистр – регистр –регистр". В RISC­микропроцессорах значительную часть площади кристалла занимает тракт обработки данных, а секции управления и дешифратору отводится очень небольшая его часть. Аппаратная поддержка выбранных операций, безусловно, сокращает время их выполнения, однако критерием такой реализации является повышение общей производительности компьютера в целом и его   стоимость.   Поэтому   при   разработке   архитектуры   необходимо   проанализировать   результаты компромиссов между различными подходами, различными наборами операций и на их основе выбрать оптимальное решение. Развитие   RISC­архитектуры   в   значительной   степени   определяется   успехами   в   области проектирования   оптимизирующих   компиляторов.   Только   современная   технология   компиляции позволяет   эффективно   использовать   преимущества   большого   регистрового   файла,   конвейерной организации и высокой скорости выполнения команд. Есть и другие свойства процесса оптимизации в технологии   компиляции,   обычно   используемые   в   RISC­процессорах:   реализация   задержанных переходов и суперскалярная обработка, позволяющие в один и тот же момент времени посылать на выполнение несколько команд. Отличительные черты RISC ­ и CISC ­ архитектурДвумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном   этапе   развития   вычислительной   техники,   являются   архитектуры   CISC   и   RISC. Основоположником CISC­архитектуры – архитектуры с полным набором команд (CISC – Complete Instruction   Set   Computer)   можно   считать   фирму   IBM   с   ее   базовой   архитектурой   IBM/360,   ядро которой используется с 1964 г. и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах, как IBM ES/9000. Лидером   в   разработке   микропроцессоров   с   полным   набором   команд   считается   компания   Intel   с микропроцессорами X86 и Pentium. Это практически стандарт для рынка микропроцессоров. Простота архитектуры RISC­процессора обеспечивает его компактность, практическое отсутствие проблем с охлаждением кристалла, чего нет в процессорах фирмы Intel, упорно придерживающейся пути  развития  архитектуры  CISC.  Формирование  стратегии  CISC­архитектуры   произошло  за  счет технологической   возможности   перенесения   "центра   тяжести"   обработки   данных   с   программного уровня   системы   на   аппаратный,   так   как   основной   путь   повышения   эффективности   для   CISC­ компьютера виделся, в первую очередь, в упрощении компиляторов и минимизации исполняемого модуля. На сегодняшний день CISC­процессоры почти монопольно занимают на компьютерном рынке сектор   персональных   компьютеров,   однако   RISC­процессорам   нет   равных   в   секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций. Одним   из   важных   преимуществ   RISC­архитектуры   является   высокая   скорость   арифметических вычислений. RISC­процессоры первыми достигли планки наиболее распространенного стандарта IEEE 754, устанавливающего 32­разрядный формат для представления чисел с фиксированной точкой и 64­ разрядный формат "полной точности" для чисел с плавающей точкой. Высокая скорость выполнения арифметических   операций   в   сочетании   с   высокой   точностью   вычислений   обеспечивает   RISC­ процессорам безусловное лидерство по быстродействию в сравнении с CISC­процессорами. Другой   особенностью   RISC­процессоров   является   комплекс   средств,   обеспечивающих безостановочную   работу   арифметических   устройств:   механизм   динамического   прогнозирования ветвлений, большое количество оперативных регистров, многоуровневая встроенная кэш­память. Организация регистровой структуры – основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая   реализация   RISC­архитектуры   использует   трехместные   операции   обработки,   в   которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию – R1 : = R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата "регистр – память" архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC­операции типа "регистр – регистр" становятся очень мощным средством повышения производительности процессора. Вместе с тем опора на регистры является ахиллесовой пятой RISC­архитектуры. Проблема в том, что в   процессе   выполнения   задачи   RISC­система   неоднократно   вынуждена   обновлять   содержимое регистров   процессора,   причем   за   минимальное   время,   чтобы   не   вызывать   длительных   простоев арифметического   устройства.   Для   CISC­систем   подобной   проблемы   не   существует,   поскольку модификация регистров может происходить на фоне обработки команд формата "память – память". Существуют   два   подхода   к   решению   проблемы   модификации   регистров   в   RISC­архитектуре: аппаратный,   предложенный   в   проектах   RISC­1   и   RISC­2,   и   программный,   разработанный специалистами   IВМ   и   Стэндфордского   университета.   Принципиальная   разница   между   ними заключается   в   том,   что   аппаратное   решение   основано   на   стремлении   уменьшить   время   вызова процедур   за   счет   установки   дополнительного   оборудования   процессора,   тогда   как   программное решение базируется на возможностях компилятора и является более экономичным с точки зрения аппаратуры процессора.