3. Типы процессоров. Особенности процессоров типа cisc, risc.

Центральный процессор предназначен для пошагового выполнения хранящейся в памяти компьютера программы. Программа, выполняемая центральным процессором, состоит из записанных в двоичном виде машинных команд. Совокупность всех машинных команд, которые могут быть "поняты'' и выполнены процессором, называется системой команд процессора. Машинные команды обычно соответствуют элементарным операциям, например, поместить данные в заданную ячейку оперативной памяти, считать данные из ячейки, выполнить арифметическую или логическую операцию над данными, дать сигнал некоторому устройству к обмену данными с оперативной памятью. Система команд процессора является важной частью архитектуры компьютера. Если системы команд двух процессоров различны; то машинная программа, предназначенная для одного процессора, не сможет быть выполнена другим.

Главные функциональные компоненты процессора: ядро, регистровая память, модуль предсказания перехода, математический сопроцессор, кэш-память 1-го и 2-го уровня, интерфейсный модуль системной шины.

Процессор характеризуется следующими параметрами:

• Внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;

• Технологический процесс;

• Степень интеграции;

• Тактовая частота;

• Память, к которой может адресоваться процессор;

• Объем установленной кэш-памяти.

Кроме того, процессоры различаются по форм-фактору, напряжению питания, и др. Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может уместиться в ней. Для процессора Intel-Pentium – это около 3 млн., расположенных на площади 3,5 см2, а для CPU Pentium-4 – уже 55 млн. Технологический процесс показывает размер транзисторов, из которых состоит микросхема процессора. Внутренняя разрядность данных – это количество бит, которое процессор может обрабатывать одновременно (16, 32 или 64). Внешняя разрядность данных – это разрядность шины, с помощью которой процессор управляет системой, обмениваясь данными с кэш-памятью, RAM и другими устройствами по специальным магистралям, называемым шинам. Важнейшими характеристиками шины являются ее разрядность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шине, - пропускную способность шины. Разрядность процессора определяется внутренней, а не внешней разрядностью данных

Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM. Лидером в разработке микропроцессоров CISC считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров.

Концепция CISC (Complete Instruction Set Computer, 1978г) — основана на расширенной системе команд переменной длины. Команды могут иметь длину от 8 до 108 бит, и процессор должен последовательно декодировать инструкцию после определения ее границ. В систему команд введено много сложных, производящих по нескольку простых действий, команд, близких к операторам языка высокого уровня. Имеются команды организации циклов, вызова и возврата из подпрограмм и т.д. Сложная адресация позволяет реализовать одной командой доступ к сложным структурам данных, что даёт разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции.

Итак, для CISC-процессоров характерно:

• большое количество машинных команд, на выполнение которых требуется значительное число тактов;

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

• большое количество методов адресации;

• большое количество форматов команд различной разрядности;

• преобладание двухадресного формата команд;

• наличие команд обработки типа регистр-память.

Основной недостаток CISC архитектуры - большая сложность реализации процессора при малой производительности. Анализ работы CISC-процессоров показал, что в течение примерно 80% времени выполняется лишь 20% большого набора команд.

Микропроцессоры типа RISC. Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд - RISC. Главной идеей было отделение медленной оперативной памяти от высокоскоростных регистров. Упор сделан на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один!). Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить 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 объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC-процессоров отличает высокая степень дробления конвейера, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в СISC-процессорах, и производительностью, несмотря на больший объем программ (больше на 30%).

Итак, для RISC-процессоров характерно:

• сокращённое количество машинных команд, на выполнение которых требуется минимальное число тактов, предпочтительно один;

• сравнительно большое число регистров общего назначения;

• фиксированное количество методов адресации;

• фиксированный формат команд одинаковой разрядности;

• преобладание трёхадресного формата команд;

• наличие команд обработки типа регистр- регистр.

Однозначно сказать, что лучше - RISC или CISC архитектура - нельзя. В современных ПК совмещают обе архитектуры. То есть микроядро процессора работает на основе инструкций RISC, а специальный блок интерпретирует команды CISC для обеспечения совместимости с системой команд х86.

Многоядерные процессоры содержат несколько процессорных ядер в одном корпусе (на одном или нескольких кристаллах).