2.3. Типы процессоров

На данный момент существует несколько направлений в производстве микропроцессоров. Они различается принципами построения архитектуры процессора.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

- процессоры CISC (Complex Instruction Set Command) с полным набором системы команд;

- процессоры RISC (Reduced Instruction Set Command) с сокращённым набором системы команд;

- процессоры VLIW (Very Length Instruction Word) со сверхбольшим командным словом.

Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд.

Наиболее распространёнными являются архитектуры процессоров RISC и CISC:

- процессоры с полной системой команд - CISC-процессоры (CISC - Complex Instruction Sist Computing);

- процессоры с сокращённой системой команд - RISC - процессоры (RISC - Reduced Instruction Sist Computing).

Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд CISC считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров.

Микропроцессоры с архитектурой CISC реализуют на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности, от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до очень сложных. Большинство современных процессоров для персональных компьютеров построено по архитектуре CISC.

В последнее время появились гибридные процессоры, которые имеют систему команд CISC, однако внутри преобразовывают их в цепочки RISC-команд, которые и исполняются ядром процессора.

Постепенное усложнение CISC-процессоров происходит в направлении более совершенного управления машинными ресурсами, а также в направлении сближения машинных языков с языками высокого уровня.

В то же время сложная система команд и переменный формат команды процессором с CISC-архитектурой привели к быстрому росту сложности схем. Так, процессор 8086 содержал 29 тыс. транзисторов, 80 386- 275 000 тыс. транзисторов, Pentium - 3 100 000 тыс. транзисторов, Pentium 4 - 42 млн. транзисторов. Для того, чтобы такие процессоры вообще могли работать с приемлемым энергопотреблением и размещаться на ограниченной площади, производители работают над миниатюризацией транзисторов. Уже достигнут уровень 0,09 мкм.

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.

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC. При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше и каждая из них выполняется намного быстрее. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат.

Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяют реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объёме оборудования.

Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот приём позволяет увеличить тактовую частоту (а значит, и производительность) компьютера. Чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC-процессоры с самого начала ориентированы на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC-процессорах.

Поэтому RISC-процессоры в 2-4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC-процессоров с обычной системой команд и более высокопроизводительны, несмотря на больший размер программ.

RISC-архитектура построена на четырёх основных принципах:

1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от её типа.

2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.

3. Операции обработки данных реализуются только в формате «регистр - регистр» (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр, а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки/записи).

4. Состав системы команд должен быть удобен для компиляции операторов языков высокого уровня.

Усложнение RISC-процессоров фактически приближает их архитектуру к CISC-архитектуре.

В настоящее время число процессоров с RISC-архитектурой существенно возросло и все ведущие фирмы США их производят, в том числе фирмы Intel, Motorola - производители основных семейств процессоров с CISC-архитектурой.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура процессора с сокращённым набором команд RISC. Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин.

Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трёх исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Разработка экспериментального проекта компании IBM началась ещё в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981 году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки.

Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить следующее:

- использование архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, эффективная конвейерная обработка;

- система команд разрабатывается таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт);

- сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентируется на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд используются команды фиксированной длины и фиксированного формата;

- наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 - 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объёму данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;

- для обработки, как правило, используются трёхадресные команды, что помимо упрощения дешифрации, даёт возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 годов) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и её эффективность, подтверждённая этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии, и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессора сложилось следующее распределение их сфер применения:

- CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

- RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров платформы IBM PC долгое время выпускали только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC.

Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессорами х86, но имеющие гибридную архитектуру, так что многие различия между CISC и RISC стираются.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд.

Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд.

Микропроцессоры типа VLIW

 Это третий тип МП. Микропроцессоры типа VLIW выпускала фирмы Transmeta. Это микропроцессоры Crusoe моделей ТМ3120, ТМ5400, ТМ5600 (технология 0,18 мкм, тактовые частоты до 700 МГц), Intel - это модель Mersed (торговая марка Itanium, 800 МГц) и Hewlett Packard – это модель McKinley.

Следует заметить, что при более глубоком анализе технология EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing - вычисления с явной параллельностью инструкций), которой придерживаются фирмы Intel и НР, незначительно отличается от технологии VLIW, принятой за основу фирмой Transmeta. Но эти отличия несущественны, поэтому микропроцессоры VLIW и EPIC можно отнести к одной группе.

Программисты доступа к внутренним VLIW-командам не имеют: все программы (даже операционная система) работают поверх специального низкоуровневого программного обеспечения (Code Morphing), которое ответственно за трансляцию команд CISC-микропроцессоров в команды VLIW. МП типа VLIW вместо сложной схемной логики, обеспечивающей в современных суперскалярных микропроцессорах параллельное исполнение команд, опираются на программное обеспечение. Упрощение аппаратуры позволило уменьшить габариты МП и потребление энергии (эти МП иногда называют «холодными»).

Первые МП архитектуры IA-64 содержат десятки миллионов транзисторов. В дальнейших модификациях их число, вероятно, увеличится до сотен миллионов.

Архитектура IA-64 не является ни 64-разрядным расширением архитектуры CISC, ни переработкой архитектуры RISC. IA-64 представляет собой новую архитектуру, использующую длинные слова команд (LIW), предикаты команд (instruction predication), исключение ветвлений (branch elimination), предварительную загрузку данных (speculative loading) и другие ухищрения для того, чтобы обеспечить больший параллелизм выполнения программ. Но, тем не менее, IA-64 - это компромисс между CISC и RISC, попытка сделать их совместимыми: существуют два режима декодирования команд — VLIW и старый CISC. Программы автоматически переключаются в необходимый режим исполнения. Для работы с VLIW операционные системы должны содержать и 64-разрядную часть на IA-64, и старую 32-разрядную.