Архитектура системы команд. Классификация процессоров

Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Известны также архитектуры MISC и VLIW

Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд (CISC - Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров.

Архитектура процессоров компании Intel основана на системе команд CISC (Complex Instruction Set Computer) – полной системе команд переменной длины. Команды процессора могут иметь длину от 8 до 108 бит, и процессор должен последовательно декодировать инструкцию после определения её границ. Первые процессоры для персональных компьютеров были скалярными устройствами (то есть могли в каждый момент времени выполнять только одну команду), конвейерная обработка (то есть одновременное выполнение нескольких команд на разных стадиях конвейера применялась лишь в больших ЭВМ).

Для CISC-процессоров характерно:

Ø сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

Ø большое количество машинных команд, некоторые, из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

Ø большое количество методов адресации;

Ø большое количество форматов команд различной разрядности;

Ø преобладание двухадресного формата команд;

Ø наличие команд обработки типа регистр-память.

Позже появились процессоры, основанные на архитектуре RISC (Reduced Instruction Set Computer) – сокращённом наборе команд компьютера фиксированной длины, которая была оптимизирована для суперскалярных (с возможностью выполнения нескольких команд одновременно) конвейерных вычислений.

Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research.

Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Для RISC-процессоров характерно:

Ø архитектура, отделяющая команды обработки от команд работы с памятью;

Ø эффективная конвейерная обработка;

Ø система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт);

Ø логика выполнения команд, с целью повышения производительности, ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию (чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата);

Ø 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;

Ø для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась, активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих программаторов (компиляторов). Именно современная техника программирования позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд. Архитектуры процессоров CISC и RISC развивались практически независимо, однако в отдельных модификациях процессоров AMD удалось совместить обе архитектуры. То есть микроядро процессора работает на основе инструкций RISC, а специальный блок интерпретирует команды CISC для обеспечения совместимости с программами для процессоров х86.

MISC-процессоры.

Minimum instruction set computer — вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC-процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20-30 команд).

VLIW-процессоры

Very long instruction word — сверхдлинное командное слово. Архитектура процессоров с явно выраженным параллелизмом вычислений, заложенным в систему команд процессора. Являются основой для архитектуры EPIC. Ключевым отличием от суперскалярных CISC-процессоров является то, что для них загрузкой исполнительных устройств занимается часть процессора (планировщик), на что отводится достаточно малое время, в то время как загрузкой вычислительных устройств для VLIW-процессора занимается компилятор, на что отводится существенно больше времени (качество загрузки и, соответственно, производительность теоретически должны быть выше). Примером VLIW-процессора является Intel Itanium.

Центральный процессор в персональных компьютерах представляет собой микропроцессор, то есть, построен на одной микросхеме. В его состав входят:

• Центральное устройство управления - комплекс средств автоматического управления процессами передачи и обработки информации;

• Арифметико-логическое устройство - устройство, осуществляющее обработку информации и выработку признаков управляющих сигналов.

• Внутренняя память процессора:

-Регистровая память;

-Постоянная память устройства управления.

Рис. 1 Обобщенная структурная схема ПК

Модули оперативной и постоянной памяти, связаны с микропроцессором напрямую. Остальные устройства (монитор, клавиатура, накопители на магнитных носителях и т.д.) связаны с микропроцессором через контроллеры ввода-вывода, которые, в свою очередь, связаны с микропроцессором через системную шину.

Микропроцессор является ядром ЭВМ. Он осуществляет обработку данных и функции управления системой. К функциям управления системой относятся:

•инициирование операций ввода-вывода;

•управление доступом к основной памяти;

•обработка системных событий – прерываний;

•организация многозадачных режимов работы.

Организация центрального процессора определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, организация памяти). Логическая структура включает ряд функциональных средств:

•средства обработки информации;

•локальная память;

•средства управления системой и программами;

•управление интерфейсом и каналами.

Структурно эти средства разбиваются на центральное устройство управления, АЛУ, внутреннюю память и управляющие устройства, связанные с конкретными устройствами вычислительной машины.

Центральное устройство управления принимает и расшифровывает команды, формирует адреса команд и операндов, формирует последовательности управляющих сигналов и обеспечивает координацию работы всех функциональных узлов, посредством выработки синхронизирующих сигналов.

Внутренняя память входит в состав первого уровня и связана с АЛУ и другими блоками центрального процессора непосредственно и имеет скорость работы соизмеримую со скоростью работы блоков процессора.

• Управляющая память входит в состав центрального устройства управления и относится к классу постоянной памяти. Этот вид памяти используется для хранения микропрограмм. Ее отличает очень высокое быстродействие и небольшая емкость, определяющаяся количеством команд в системе команд центрального процессора.

• Регистровая память выполнена на триггерных элементах и входит в состав центрального процессора. Емкость ее невысока, скорость высокая, но меньше, чем у управляющей памяти. Основной характеристикой данного типа памяти является разрядность.