Развитие архитектур современных мп. Расширение архитектуры x86 Развитие архитектур современных мп
Рассмотрим основные этапы эволюции микропроцессорных архитектур. С развитием архитектур менялся состав операций и их сложность (CISCи RISC), а также место хранения операндов, что влияет на количество и длину адресов, указываемых в адресной части команд обработки данных.
Архитектура на базе аккумулятора исторически возникла одной из первых. В ней для хранения одного из операндов арифметической или логической операции в процессоре имеется выделенный регистр — аккумулятор. В этот же регистр заносится и результат операции. Поскольку адрес одного из операндов предопределен, в командах обработки достаточно явно указать местоположение только второго операнда. Изначально оба операнда хранятся в основной памяти, и до выполнения операции один из них нужно загрузить в аккумулятор. После выполнения команды обработки результат находится в аккумуляторе и, если он не является операндом для последующей команды, его требуется сохранить в ячейке памяти.
Для загрузки в аккумулятор содержимого ячейки х предусмотрена команда загрузки loadx, а запись содержимого аккумулятора в ячейку х происходит при помощи команды storex.
Достоинствами аккумуляторной АСК можно считать короткие команды и простоту декодирования команд. Однако наличие всего одного регистра порождает многократные обращения к основной памяти.
Второе поколение (1954–1962) ознаменовалось переходом от электронных ламп к полупроводниковым диодам и транзисторам со временем переключения порядка 0.3 мс. Появление регистрового файла позволило организовать машины либо с регистровой архитектурой, либо со стековой архитектурой. Тогда стековая архитектура превалировала над регистровой, благодаря очень компактному коду. Безоперандные команды брали аргументы из стека и клали результат в стек. Для кодирования такой команды достаточно нескольких бит. В условиях ограниченности объёма доступной памяти это было очень веским преимуществом. В дальнейшем появление полупроводниковых запоминающих устройств привело к резкому увеличению объёма оперативной памяти и, соответственно, к бесперспективности стековой архитектуры.
Стековая архитектура
Стек образует множество логически взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу «последним вошел, первым вышел» Last In First Out).
Верхнюю ячейку называют вершиной стека. Для работы со стеком предусмотрены две операции: push(проталкивание данных в стек) и pop (выталкивание данных из стека). Операнды перед обработкой помещаются в две верхних ячейки стековой памяти. Результат операции заносится в стек.
Для записи в стек и чтение из стека в ячейку с адресом x предусмотрены две команды – pushx и popx.
Верхние ячейки стековой памяти, где хранятся операнды и куда заносится результат операции, как правило, делаются более быстродействующими и размещаются в процессоре, в то время как остальная часть стека может располагаться в основной памяти и частично даже на магнитном диске.
Достоинства стековой архитектуры:
Сокращение адресной части команд, поскольку все операции производятся через вершину стека (не нужно указывать адреса операндов и результата в командах арифметической и логической обработки информации).
Компактный код программы.
Простое декодирование команд.
Недостатки стековой архитектуры:
Стековая архитектура не предполагает произвольного доступа к памяти, из-за чего компилятору трудно создать эффективный программный код, хотя создание самих компиляторов упрощается.
Стек становится «узким местом» ВМ в плане повышения производительности. В силу упомянутых причин, данный вид АСК долгое время считался неперспективным и встречался, главным образом, в вычислительных машинах 1960-х годов, например в ВМ фирмы Burroughs (B5500, В6500) или фирмы Hewlett-Packard HP 3000/70).
Последние события в области вычислительной техники свидетельствуют о возрождении интереса к стековой архитектуре ВМ. Связано это с популярностью языка Java и расширением сферы применения языка Forth, семантике которых наиболее близка именно стековая архитектура. Появились архитектуры с безоперандным набором команд ROSC, Removed Operand Set Computer (Cтековую машину IGNITE компании Patriot Scientist), которые по-сути являются стековыми.
Регистровая архитектура
Третье поколение вычислительной техники (1963–1972) ознаменовалось переходом от дискретных полупроводниковых элементов к интегральным микросхемам, что обусловило скачок производительности. Зарождаются принципы конвейеризации и суперскалярности (принципы мелкозернистого параллелизма). Появляются многозадачные ОС. Архитектура системы команд (ISA) сильно развивается, предоставляя программистам более развитые команды. Такую ISA впоследствии назовут CISC.
В машинах с регистровой архитектурой процессор включает в себя массив регистров (регистровый файл), известных как регистры общего назначения (РОН). Эти регистры, в каком-то смысле, можно рассматривать как явно управляемый кэш для хранения недавно использовавшихся данных.
Размер регистров обычно фиксирован и совпадает с размером машинного слова. К любому регистру можно обратиться, указав его номер. Количество РОН в архитектурах типа CISC обычно невелико (от 8 до 32), и для представления номера конкретного регистра необходимо не более пяти разрядов, благодаря чему в адресной части команд обработки допустимо одновременно указать номера двух, а зачастую и трех регистров (двух регистров операндов и регистра результата). RISC-архитектура предполагает использование существенно большего числа РОН (до нескольких сотен), однако типичная для таких ВМ длина команды (обычно 32 разряда) позволяет определить в команде до трех регистров.
Регистровая архитектура допускает расположение операндов в одной из двух запоминающих сред: основной памяти или регистрах. С учетом возможного размещения операндов в рамках регистровых АСК выделяют три подвида команд обработки:
регистр-регистр;
регистр-память;
память-память.
В варианте «регистр-регистр» операнды могут находиться только в регистрах. В них же засылается и результат. Подтип «регистр-память» предполагает, что один из операндов размещается в регистре, а второй в основной памяти. Результат обычно замещает один из операндов. В командах типа «память-память» оба операнда хранятся в основной памяти.
Вариант |
Достоинства |
Недостатки |
Регистр-регистр |
Простота реализации, фиксированная длина команд, простая модель формирования объектного кода при компиляции программ, возможность выполнения всех команд за одинаковое количество тактов |
Большая длина объектного кода, из-за фиксированной длины команд часть разрядов в коротких командах не используется |
Регистр-память |
Данные могут быть доступны без загрузки в регистры процессора, простота кодирования команд, объектный код получается достаточно компактным |
Потеря одного из операндов при записи результата, длинное поле адреса памяти в коде команды сокращает место под помер регистра, что ограничивает общее число РОН. СРI зависит от места размещения операнда |
Память-память |
Компактность объектного кода, малая потребность в регистрах для хранения промежуточных данных |
Разнообразие форматов команд и времени их исполнения, низкое быстродействие из-за обращения к памяти |
Вариант «регистр-регистр» является основным в вычислительных машинах типа RISC. Команды типа «регистр-память» характерны для CISC-машин. Наконец, вариант «память-память» считается неэффективным, хотя и остается в наиболее сложных моделях машин класса CISC.
К достоинствам регистровых АСК следует отнести: компактность получаемого кода, высокую скорость вычислений за счет замены обращений к основной памяти на обращения к быстрым регистрам. С другой стороны, данная архитектура требует более длинных инструкций по сравнению с аккумуляторной архитектурой. В наши дни этот вид архитектуры системы команд является преобладающим.
Архитектура с выделенным доступом к памяти
В архитектуре с выделенным доступом к памяти обращение к основной памяти возможно только с помощью двух специальных команд: load и store. В английской транскрипции данную архитектуру называют Load/Store architecture. Команда load (загрузка) обеспечивает считывание значения из основной памяти и занесение его в регистр процессора (в команде обычно указывается адрес ячейки памяти и номер регистра). Пересылка информации в противоположном направлении производится командой store (сохранение).
АСК с выделенным доступом к памяти характерна для всех вычислительных машин с RISC-архитектурой. Команды в таких ВМ, как правило, имеют длину 32 бита и трехадресный формат.
В качестве примеров вычислительных машин с выделенным доступом к памяти можно отметить HP PA-RISC, IBM RS/6000, SPARC, MIPS R4000, DEC Alpha и т. д. К достоинствам АСК следует отнести простоту декодирования и исполнения команды.
Четвёртое поколение (1972–1984) осуществило переход на СБИС (тысячи транзисторов на одном кристалле). Появление языков высокого уровня привело к резкому снижению востребованности CISC инструкций, так как компиляторы использовали только небольшое подмножество из них. Оказалось целесообразным перейти к архитектуре с сокращённым набором команд (RISC) и использовать высвобожденные ресурсы (транзисторы) для улучшения количественных характеристик CPU.