Типы архитектур процессоров

В зависимости от набора команд и порядка выполнения их выполнения процессоры подразделяют на четыре класса, отражающих также хронологию развития ЭВМ.

CISC (Complex Instruction Set Computer) – архитектура с полным набором команд. Такие процессоры выполняют все команды простые и сложные за большое количество тактов, команд в таких процессорах много, и бывает, что компиляторы верхнего уровня очень редко используют все команды.

Данная архитектура процессоров считается классической, которая начала свое развитие в 1940-х гг. с появлением первых компьютеров, в которой центральный процессор использует микропрограммы для выполнения большого набора разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации, для этого требуется наличие сложных электронных цепей для декодирования и исполнения.

Типичным примером CISC являются процессоры Intelх86, в частности, семейство Pentium (Рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. 16-битный микропроцессор Intel 8086

Процессоры данной архитектуры выполняют более 200 команд разной степени сложности, которые имеют размер от 1 до 15 байт, и обеспечивают более 10 различных способов адресации. Такое многообразие выполняемых команд и способов адресации позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Однако при этом существенно усложняется структура процессора, особенно его устройства управления, что приводит к увеличению размеров и стоимости кристалла, снижению производительности.

В то же время анализ работы процессоров показал, что в течение примерно 80 % времени выполняется лишь 20 % общего набора команд. Поэтому была поставлена задача оптимизации выполнения небольшого по числу, но часто используемых ко­манд. В середине 70-х это привело многих производителей компьютеров к пересмотру своих позиций и к разработке центрального процессора с ограниченным набором команд.

RISC (Redused Instuction Set Computer) – архитектура отличается использованием ограниченного набора команд фиксиро­ванного формата (длины), большим количеством регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.

Первый процессор RISC был создан корпорацией IBM в 1979 г. и имел шифр IBM 801. Концепция RISC, разработана Джоном Коком (John Cocke) из IBM Research, название придумано Дэвидом Паттерсоном (David Patterson).

Такие процессоры работают быстрее, чем CISC архитектура, за счет упрощения архитектуры и сокращения количества команд, но для выполнения сложной команды, она составляется из набора простых, что увеличивает время выполнения команды (за большее количество тактов).

RISC-процессоры обычно реализуют около 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта. Также значительно сокращается число используемых способов адресации. Обычно в RISC-процессорах все команды обработки данных выполняются только с регистровой или непосредственной адресацией. При этом для сокращения количества обращений к памяти RISC-процессоры имеют увеличенный объем внутреннего РЗУ – от 32 до нескольких сотен регистров (в CISC-процессорах число регистров общего назначения обычно составляет 8-16). В результате процессор на 20-30 % реже обращается к оперативной памяти, что также повышает скорость обработки данных. Упростилась топология процессора, выполняемого в виде одной интегральной схемы, сократились сроки ее разработки, она стала дешевле. Благодаря своей простоте процессоры RISC не патентуются. Это также способствует их быстрой разработке и широкому производству.

Начиная с процессора Pentium, корпорация Intel начала внедрять элементы RISC-технологий в свои изделия.

Процессор MISC (Minimal Instuction Set Computer) работает с минимальным набором длинных команд и характеризуется небольшим набором чаще всего встре­чающихся команд. Вместе с этим принцип команд VLIW обес­печивает выполнение группы команд за один цикл работы про­цессора. Порядок выполнения команд распределяется таким об­разом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом, архитектура MISC объединила вместе суперскалярную (многопоточную) и VLIW концепции. Компоненты процессора просты и работают с высокими скоростями, но если выполняется сложные вычисления, например, с числами с плавающей запятой, то такие команды выполняются за большое количество тактов, превышающее CISC и RISC архитектуры.

VLIW (Very Large Instruction Word) – архитектура, которая появилась относительно недавно (в 1990-х гг.). Ее особенностью является использование очень длинных команд (до 128 бит и более), отдельные поля которых содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций.

Специальный компилятор планирования перед выполнением прикладной программы проводит ее анализ и по множеству ветвей последовательности операций определяет группу команд, которые могут выполняться параллельно. Каждая такая группа образует одну сверхдлинную команду. Это позволяет решать две важные задачи. Во-первых, в течение одного такта выполнять группу коротких («обычных») команд, а во-вторых – упростить структуру процессора. Этим технология VLIW отличается от суперскалярности (здесь отбор групп одновременно выполняемых команд происходит непосредственно в ходе выполнения прикладной программы, а не заранее, из-за этого усложняется структура процессора и замедляется скорость его работы).

Процессоры типа VLIW выпускают фирмы Transmeta, Intel и Hewlett-Packard. К VLIW-типу можно отнести процессор Elbrus 2000 – E2k российской компанией «Эльбрус» (Рисунок).

Рисунок. процессор Elbrus 2000

[1] АЛУ – арифметико-логическое устройство;

[2] FPU – часть процессора для выполнения широкого спектра математических операций над вещественными числами.