Тема 10 Современное развитие микропроцессорной техники

1. Архитектуры risc, cisc, vliw, misc, epic

1.1. АрхитектураRisc

RISC(Reduced Instruction Set Computing) —вычисленияссокращённымнаборомкоманд.

Это философия проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет как удешевить процессор, так и поднять тактовую частоту. Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления.

Первые RISС-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50 − 100) набор команд, тогда как обычные CISC (Сomplex Instruction Set computer) выполняли 100—200.

Характерные особенности RISC-процессоров:

• Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

• Одна инструкция выполняет только одну операцию с памятью — чтение или запись. Операции вида "прочитать-изменить-записать" отсутствуют.

• Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC.

Основное предназначение RISC-процессоров – упрощение набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Отличительными особенностями RISC являются:

• фиксированная длина команд,

• архитектура регистр-регистр,

• простые способы адресации,

• короткие и простые (не требующие интерпретации) команды,

• большой регистровый файл (это позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные) и трехоперандный (три команды в выборке) формат команд.

Среди других особенностей RISC-архитектур, появившихся несколько позже, следует отметить идею суперскалярной или многоконвейерной обработки, внеочередное выполнение команд и появление "смешанных" или групповых команд для сокращения времени выполнения часто повторяющихся последовательностей.

Также в современных версиях RISC-процессоров появилась методика реализации условных переходов, чего не было в первых реализациях. Условные переходы при параллельном выполнении команд всегда являются "узким горлышком", способным сильно затормозить работу процессора. Такая проблема наиболее характерна для RISC-процессоров, т. к. меньшее разнообразие команд ведет к увеличению числа ветвлений.

Что касается суперскалярности RISC-процессоров, то она тоже сильно ограничена. Благодаря хитроумным решениям, разработчикам удалось достичь некоторой параллельности вычислений в рамках традиционных RISC. Однако по-настоящему параллельными такие процессоры не являются, и дальнейшее повышение производительности сталкивается с большими трудностями. Выход из положения состоит в принципиальной смене архитектуры и переходе к настоящему параллелизму на уровне инструкций (EPIC).