1.3.2. Cisc- и risc-процессоры

Во время работы процессор обслуживает данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находя­щиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосред­ственно как данные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды.

Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует т.н. систему команд процессора. Процессоры, относя­щиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд.

Принцип совместимости «сверху вниз» – это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшеству­ющих компьютеров, принадлежащего к той же аппаратной платформе.

Первые компьютеры содержали небольшое количество простых команд. Но создание более мощных компьютеров привело, кроме всего про­чего, к появлению и более сложных команд. Сложные команды, хотя и выполнение от­дельных команд занимает больше времени, увеличивали скорость выполнения всей программы, т.к. некоторые операции иногда пере­крываются. Какие-то операции могут выполняться парал­лельно. Однако для их выполнения требуется дополнительное аппаратное обеспечение. Для мощных с вы­сокой производительностью и, соответственно, дорогих компьютеров стоимость этого дополнительного аппаратного обеспечения была вполне оправданна.

Таким образом, у дорогих компьютеров было гораздо больше команд, чем у дешевых. Однако развитие программного обеспече­ния и требования совместимости команд привели к тому, что сложные команды стали использоваться и в относительно дешевых компьютерах, хотя там во главу угла при разработке ставилась стоимость, а не скорость работы.

При этом сложные команды подвергались интерпретации, т.е. программным обеспечением переводились для исполнения на цифровой логический уровень без использования сложного аппаратного обеспечения. Техно­логия интерпретации позволила разработать простые дешевые компьютеры, которые, тем не менее, могли выполнять большое количество ко­манд. Можно было разработать достаточно простой процессор, а вся сложность обработки данных сводилась к созданию программы - интерпретатора. Таким образом, разработка сложного аппаратного обеспечения замещалась разработкой сложного программного обеспечения.

Простые компьютеры с интерпретированными командами имели и другие преимущества. Наиболее важными среди них были:

• возможность фиксировать неправильно выполненные команды или даже восполнять недостатки аппаратного обеспечения;

• возможность добавлять новые команды при минимальных затратах, даже после покупки компьютера;

• структурированная организация, которая позволяла разрабатывать, прове­рять и документировать сложные команды.

Чем шире набор системных команд процессора, тем слож­нее его архитектура, тем длиннее формаль­ная запись команды, тем выше средняя продолжительность исполне­ния одной ко­манды, измеренная в тактах работы процессора. Такие процессоры стали называть процессорами с расши­ренной системой команд – CISC-процессорами (CISC – Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC - процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC, с сокращенной системой команд (RISC - Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Обо­ротная сторона сокра­щенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится заменять далеко неэффективной после­дова­тельно­стью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции между двумя подходами к архитектуре процессоров 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.

Компания Intel сумела воплотить идеи RISC в архитектуре CISC. Процессоры Intel, начиная с 486-го, содержат т.н. ядро RISC, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) коман­ды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретиру­ются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быс­тро, а более сложные и редкие – медленно. Хотя при таком «гибридном» подходе работа происходит не так быстро, как у «чисто» RISC-процессоров, данная архитектура имеет ряд пре­имуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.

В последнее время компания AMD приступила к выпуску про­цессоров, 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.