Типы архитектур микропроцессора и их сравнительный анализ

Архитектура процессора — это комплекс его аппаратных и программных средств, которые предоставляются пользователю. Также в понятие архитектуры процессора входят программно-доступные регистры и исполнительные (операционные) устройства, система основных команд и способов адресации, объем и структура адресуемой памяти, виды и способы обработки прерываний.

Обычно при описании архитектуры и функционирования процессора его представляют, как совокупность программно-доступных регистров, которые образуют регистровую или программную модель. Эти регистры содержат операнды (обрабатываемую информацию) и управляющие данные. Регистровая модель содержит: группу регистров общего назначения, которые служат для хранения операндов, и группу служебных регистров, которые обеспечивают выполнение программы, а также управляют режимами работы процессора и обращением к памяти (защита памяти, к примеру).

Регистры общего назначения формируют регистровое запоминающее устройство (РЗУ). РЗУ является внутренней регистровой памятью процессора. Архитектура процессора определяет состав и число служебных регистров. Как правило, они состоят из:

- программного счетчика PC (CS + IP в архитектуре микропроцессоров Intel);

- регистров управления режимом работы процессора CR (Control Register);

- регистра состояния SR (или EFLAGS);

- регистров, которые обеспечивают отладку программ и выполняют тестирования процессора;

- регистров, которые реализуют сегментную и страничную организацию памяти.

Более того, разные модели МП состоят из ряда других специальных регистров.

Функциональное назначение и область применения МП определяет состав устройств и блоков, присутствующих в структуре МП, а также реализуемых механизмов их взаимодействия.

Структура и архитектура МП связаны между собой. Чтобы реализовать какую-либо архитектурную особенность, требуется ввести в структуру МП необходимые устройства и блоки (аппаратные средства) и обеспечить их совместное функционирование.

Современные микропроцессоры реализуются на таких архитектурах, как:

CISC (Complex Instruction Set Computing) — компьютер с комплексным набором команд, который имеет следующие свойства:

· большое количество разных по длине и формату команд;

· вычисления кодирует одна команда;

· каждый регистр выполняет определенную функцию.

CISC — самая распространенная архитектура современных мобильных, настольных и серверных процессоров. Типичные представители: процессоры Motorola MC680x0 и процессоры на основе команд x86.

Процессор архитектуры CISC имеет дело со сложными инструкциями различной длины. Одиночная CISC-инструкция выполняется довольно быстро, но возникают сложности с параллельной обработкой нескольких таких инструкций. Также недостаток CISC архитектуры заключается в высокой цене аппаратной части.

RISC (Reduced Instruction Set Computing - процессор, имеющий сокращенный набор команд) — архитектура процессора с более простым декодированием и меньшим по времени выполнением инструкций.

Преимущества:

• любой RISC-процессор выполняет намного больше операция в секунду, чем CISC-процессор;

• производительность CPU выше по сравнению с CISC архитектурой;

• команды имеют одинаковый формат и простую кодировку;

• при высокой производительности используется низкая тактовая частота, т.к. степень интеграции ниже;

• команды меньше загромождают ОЗУ;

• аппаратная часть дешевле.

Недостатки:

— данная архитектура не обладает программной совместимостью;

• отладка программ происходит более сложно;

• чтобы использовать RISC архитектуру нередко приходится перекомпилировать программы или заново переписывать, т.к. большинство программ на сегодняшний день откомпилирована для CISC-процессоров фирмы Intel.

Примеры процессоров с архитектурой RISC: Dec Alpha, ARM, MIPS.

MISC (Multipurpose lnstruction Set Computer) — вид архитектуры процессора, с наименьшим набором команд, совмещает преимущества CISC и RISC архитектур. Система команд очень проста, а компоненты процессора работают на высоких частотах. Возрастает производительность, появляется возможность обрабатывать одновременно несколько потоков информации за счет укладки нескольких команд в одну связку.

База элементов состоит из RISC CPU - основной части, и ПЗУ микропрограммного управления - второй части. Система имеет свойства CISC. На RISC CPU работают основные команды, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы. RISC CPU выполняет команды в течение одного такта, а вторая часть характеризует CPU, имеющий сложный набор команд. Использование ПЗУ устраняет недостаток RISC архитектуры (библиотека стандартных функций занимает много места в ОЗУ). Так как микропрограмма уже дешифрована, времени выборки на дешифрацию из ОЗУ не требуется.

Архитектура MISC объединяет вместе суперскалярную и VLIW-концепции.

VLIW (Very Large Instruction Word - очень длинная команда) — архитектура, использующая очень длинные команды. Появилась в 1990-х годах. Одна команда процессора включает в себя сразу несколько операций, выполняющихся параллельно.

В инструкциях процессоров архитектуры VLIW каждому вычислительному устройству явно указано какую команду нужно выполнить.

Преимущества: архитектура процессора довольно упрощена за счет компилятора, который распределяет задачи для вычислительных устройств; снижено энергопотребление.

Недостатки: длинный код программ, вследствие многих пустых команд, предназначенных для простаивающих устройств; программирование кода вручную имеет множество сложностей.

Примеры процессоров с VLIW архитектурой: TriMedia фирмы Philips, DSP C6000 фирмы Texas Instruments, серия процессоров "Эльбрус".

Принстонская архитектура, или архитектура Фон-Неймана, использует общую оперативную память для совместного хранения команд, программ и данных. За обращение к оперативной памяти отвечает общая системная шина, от нее в процессор поступают данные и команды.

У данной архитектуры есть множество преимуществ, например, перераспределение объема общей памяти для хранения данных и команд в зависимости от решения конкретной задачи.

Первые компьютеры, реализованные с особенностями Принстонской архитектуры: EDVAC, ORACLE, SEAC, MANIAC I и некоторые другие.

Гарвардская архитектура создана Говардом Эйкеном в 1930-х годах в Гарвардском университете.

Отличительные признаки: физическое разделение хранилища программ и хранилища данных, а также канала инструкций и канала данных.

В Гарвардской архитектуре используются отдельные стеки для хранения информации счетчика, который обеспечивает возможность выполнения подпрограмм.

Процессоры с Гарвардской архитектурой обладают более высокой производительностью, чем процессоры на основе Принстонской, за счет разделения потоков данных и команд.

Компьютеры, работающие на основе Гарвардской архитектуры: Марк I, Intel 4004, Microchip PIC.