3. Архитектура и набор команд.

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимают логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин «архитектура вычислительной машины» был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM 360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют «узкой», и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти, определяет необходимые регистры, стеки.

3. Типы процессоров

Система команд – представляет собой совокупность команд, которые способен выполнить МП. Она включает полный список кодов операций, для каждой из которых указывается число операндов и допустимые способы их адресации.

В зависимости от набора и порядка выполнения команд процессоры подразделяются на четыре класса:

1. CISC (Complex Instruction Set Computer)-традиционная архитектура, в которой центральный процессор использует микропрограммы для выполнения исчерпывающего набора команд. Для CISC – архитектуры типичны:

• наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;

• большое количество машинных команд, некоторые из них аппаратно реализуют сложные операторы языков высокого уровня;

• разнообразие способов адресации;

• множество форматов команд различной разрядности;

• наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.

К типу CISC можно отнести практически все ВМ, выпускавшиеся до середины 1980-х годов, и значительную часть производящихся в настоящее время. В течении долгих лет разрабатывались всё более сложные и полные системы команд, однако анализ работы процессора показал, что в течении примерно 80 % времени выполняется примерно 20 % большого набора команд. В тоже время объем аппаратных средств, для реализации дополнительных команд, возрастает весьма существенно. Поэтому было решено оптимизировать выполнение небольшого по числу, но часто используемых команд.

2. RISC (Reduced Instruction Set Computer) - процессор, функционирующий с сокращённым набором команд. Современные процессоры RISC характеризуются:

• упрощённый набор команд, имеющих одинаковую длину;

• большинство команд выполняется за один такт процессора;

• отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

• взаимодействие с оперативной памятью ограничивается операциями пересылки данных;

• резко уменьшается число способов адресации памяти (не используется косвенная адресация);

• используется конвейер команд;

• применяется высокоскоростная память.

Такой подход к архитектуре значительно сократил площадь процессора на кристалле. Это позволило увеличить число регистров, их более 100, и на 20-30 % уменьшить число обращений к оперативной памяти. RISC -технологии стали внедряться, начиная с процессора Pentium.

3. MISC- процессор, работающий с минимальным набором длинных команд.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно слово (связку, bound) размером 128 бит. Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных. Группа команд выполняется за один цикл работы процессора, порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных (суперскалярная архитектура), отбор групп происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы.

4. VLIW (Very Long Instruction Word)- процессор, работающий с системой команд сверхбольшой разрядности.

Процессоры такой архитектуры имеют несколько операционных блоков различного либо одинакового назначения, которые могут работать параллельно. Для повышения эффективности загрузки операционных блоков создаётся специальный компилятор планирования, который перед выполнением прикладной программы проводит её анализ, и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая группа образует одну сверхдлинную команду.

Процессор VLIW имеет следующие особенности:

• большое количество регистров: 128 64-разрядных регистров общего назначения (целочисленных), 128 80-разрядных регистров арифметики с плавающей запятой, 64 1-разрядных предикатных ¹¹регистра;

• явный параллелизм в машинном коде (поиск зависимостей между командами производит не процессор, а компилятор);

• предикация – команды из разных ветвей условного ветвления снабжаются предикатными полями (полями условий) и запускаются на выполнение параллельно;

• данные из медленной основной памяти загружаются заранее (загрузка по предложению).

В таблице 2.6 приводится сравнительная оценка наиболее существенных различий в архитектуре CISC, RISC, VLIW.

Таблица 2.6

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