Aрхитектурни решения за RISC процесори. Приложения

ТЕМА: Архитектурни решения за RISC процесори.
Приложения.
1

Съдържание:
1. Компютърна архитектура. стр. 3
2. Класификация на процесорите според използваните команди. стр. 3
2.1. CISC - Complex Instruction Set Command. стр. 3-4
2.2. RISC - Reduced Instruction Set Computer. стр. 4
2.3. MISC - Minimal Instruction Set Computer. стр. 4-5
2.4. VLIW - Very Long Instruction. стр. 5
3. Reduced (Restricted) Instruction Set Computer. стр. 5
3.1. Reduced Instruction Set Computer. стр. 5-6
3.2. Основни характеристики на RISC процесорите. стр. 6
3.3. RISC производителност. стр. 6
3.4. Pipelining. стр. 6-7
3.5. Предимства на RISC процесорите. стр. 7
3.6. Недостатъци на RISC процесори. стр. 7
4. Разлики между CISC и RISC. стр. 7-8
5. Уравнение на производителността. стр. 8
6. Приложения. стр. 8
7. Заключение. стр. 9
2

1. Компютърна архитектура.
Компютърната архитектура отразява най-общите принципи на
взаимодействие на хардуера и софтуера при организацията на изчислителния
процес. Развитието на компютрите е базирано на развитието на технологията.
Първите компютри са на базата на електронни лампи, интегрални схеми,
транзистори и памети с малък капацитет. Първите интегрални схеми (integrated
circuits) съдържат само няколко транзистора (например едни от най-първите
такива съдържат по 2 транзистора), наречени са "Small-Scale Integration" (SSI)
circuits. В края на 60-те се представят устройства, които съдържат стотици
транзистори на всеки чип, наречени Medium-Scale Integration(MSI) circuits.
Следва период, в който развитието на технологията е спомагано от компютрите,
докато се стигне сегашния момент, когато развитието на компютрите и
технологиите са неразделни и си спомагат еднакво активно. Модерните
компютърни архитектури не могат да избягат от влиянието на софтуера и
проблемите с компилацията. Поради наличието на съвременните компютри
значително се намаляват размерите на елементите, които ги изграждат и се
получават малки компютри с голяма мощност. Програмирането и технологията
на програмиране в началото е много тясно свързано с компютърната
архитектура. После се изработва начин за управление на технологията на
програмиране. Архитектурите на много езици за програмиране се провалят
поради невъзможността за интегриране при потребителите.
Историята на микропроцесорите води началото си от 1971 година, когато
още никому неизвестната фирма Intel пуска първия микропроцесор I4004.
Неговите характеристики в сравнение с днешните процесори-гиганти са
плачевни. Той имал разрядност 4 бита, тактова честота 108 кHz, можел да
адресира 60 байта памет и производителност 0,06 MIPS (Millions of Instructions
Per Second). Процесорът съдържал 2300 транзистора. Със създаването на
първия микропроцесор започнала великата епоха на компютризация.
2. Класификация на процесорите според използваните
команди.
Различните процесори, използват различен набор инструкции.
В съвременните компютри се използват няколко основни архитектури за набори
команди:
2.1. CISC - Complex Instruction Set Command (сложен набор команди)
Complex Instruction Set Computer или накратко и по-известно като CISC
процесор. Такива процесори започват да се произвеждат от 1971 година от компанията
Intel. Компанията бързо се разраства и нейната продукция става изключително търсена
на световния пазар. През 1978 година компанията пуска модела i8086, което дава
начало на производството на семейството процесори x86. Всички модели на това
семейство не могат да бъдат причислени към СISC процесорите, тъй като 486
3

процесорът имал комбинирана архитектура - CISC-процесор и RISC-ядро. Моделът
486 става последния от семейството на x86, а на смяна идва новото семейство на
Pentium-ите. Освен компанията Intel съществуват и други компании-гиганти,
произвеждащи CISC-процесори, като AMD, Cyrix, IDT .
CISC технологията е свързана с традиционните процесори, при които се
поддържат множество инструкции, изпълнявани за различно време. Времето за
изпълнение е в зависимост от типа на инструкцията, дължината, метода за адресиране
на операндите и т.н. В някои процесори се налага изчисляването на резултата да става
на части, тъй като има разлика между дължината на реалните операнди и размера на
входовете на аритметичното-логическо устройство.
В традиционният CISC-процесор инструкцията се реализира като група от
няколко байта в паметта, като управлението се извършва от микропрограмно
устройство. Така се извлича конкретна микропрограма, съответстваща на
изпълняваната инструкция, след което се реализира последователност от действия -
елементарни операции, определяни от включените в микропрограмата
микроинструкции. Тази последователност се нарича “вътрешен цикъл”. По този начин
всяка инструкция се изпълнява за различен брой стъпки в зависимост от броя на
микроинструкциите в микропрограмата.
Процесорната организация традиционно се описва чрез т.нар. програмен модел, който
обединява програмно-достъпните регистри от структурата. Техният състав и
предназначение са различни за различните модели процесори, а дължината им зависи
от дължината на машинната дума. Типични CISC процесорни модели, намерили своето
приложение при изграждане на универсални и специализирани процесори, са тези с
акумулатор, със стек, с разширена група от регистри с общо предназначение и др.
2.2. RISC (Reduced Instruction Set Computer)
Технологията RISC е развита в началото на 80-те години като
алтернатива на универсалните процесори с микропрограмна архитектура и
разширен състав на системата от инструкции. При RISC-процесорите се търси
ефективно натоварване (запълване) на вътрешния конвейер, което води до по-
висока производителност.
2.3. MISC (Minimal Instruction Set Computer - минимален набор
дълги команди)
Увеличаването разрядността на процесорите, довежда до идеята за
събиране на няколко команди в една дума с размер 128 бита. По този начин
процесорът има възможност да изпълнява едновременно няколко команди,
съответно няколко потока от данни.
MISC, както и процесорите RISC се характеризират с неголямо число
неголеми, често срещащи се команди.
MISC обединява в едно цяло супер скаларната (много поточна) и VLIW
концепцията. Компонентите на процесора са прости и работят с високи
скорости.

4

2.4. VLIW (Very Long Instruction Word - набор от команди със
свръхголяма разрядност)
Идеята е в това, че се създава специален компилатор за планиране,
който преди изпълнение на приложната програма я анализира и по
множеството клони от последователности определя групата команди, които
могат да се изпълняват последователно. Всяка такава група образува една
свръх дълга команда. Това позволява да се решат две важни задачи:
·В течение на един такт се изпълняват група кратки ("обикновени")
команди.
·Опростява се структурата на процесора.
Принципът на "много дълги команди" осигурява изпълнението на група
команди за един цикъл на процесора. Порядъкът на изпълнение на командите
са разпределя така, че в максимална степен да се натоварят маршрутите, по
които преминават потоците от данни.
По това VLIW се отличава от супер скаларната архитектура, при която
подбора на групата едновременно изпълнявани команди става едновременно в
хода на изпълнение на приложната програма, което усложнява структурата на
процесора и забавя скоростта на работата му. Технологията VLIW е резултат от
изследванията на корпорациите HP и Intel.
3. Reduced (Restricted) Instruction Set Computer
3.1. Reduced Instruction Set Computer или накратко RISC процесори
- наименованието им идва от това, че те имат намален брой от инструкции за
компютри. RISC процесорите са вид дизайн използван в проектирането на
микропроцесори. Тази архитектура е противоположна на CISC архитектурата.
Концепцията на тази архитектура е това инструкциите да са по-малко на брой думи, но
по-добре оптимизирани инструкции извършващи повече функции. RISC процесорите
обикновено имат набор еднородни регистри с универсално предназначение и тяхната
система от команди се отличава с относителна простота. Първоначално създадени
като научен продукт, днес в световен мащаб се произвеждат множество разновидности
на RISC процесорите. Те се използват от IВМ, НР, SUN, Texas Instruments и други
производители в производството на работни станции и суперкомпютри. Компанията
Motorola произвежда както 16-т разрядни, така и 24-ри разрядни процесори, а
компанията Analog Devices произвежда 16-т и 32 разрядни процесори.
RISC фамилиите включват DEC Alpha, AMD 29k, ARC, ARM, Atmel AVR, Blackfin, Intel
i860 и i960, MIPS, Motorola 88000, PA-RISC, Power SuperH, и SPARC.
Опростената архитектура с оптимизиран набор от машинни инструкции
означава, че наборът включва само онези елементарни операции, изпълними
от хардуера с максимална бързина и ефективност. Всяка друга по - сложна
операция се изпълнява като комбинация на няколко прости инструкции.
3.2. Основни характеристики на RISC процесорите:
·Имат не повече от 128 бързо изпълняващи се команди, извършващи
елементарни операции. Когато е необходимо да се извърши по-сложно
5

действие, то се описва със сравнително голям брой от тези елементарни
операции, но в общия случай те се изпълняват по-бързо от съответните
CISC инструкции.
·Инструкциите са с фиксиран формат.
·Всяка инструкция се изпълнява за един процесорен такт, което позволява
да се предсказват по-точно преходите в програмите и да се изпълняват
повече от една инструкция за такт.
·Инструкциите могат да се изпълняват и конвейерно (докато дадената
инструкция се изпълнява, следващата се разшифрова).
·Произвеждат се по-лесно, защото имат по-малко транзистори и по-просто
организирана вътрешна логика.

3.3. RISC производителност.
Голяма част от съвременните RISC процесори притежават по-голямо
множество от инструкции в сравнение с CISC процесорите. Определението
“reduced” или „ограничен“ идва от това, че работата, която всяка една
инструкция извършва е намалена до минимум (най-много един дата цикъл). До
голяма степен производителността на RISC се съдържа в използването на
Pipelining метода, който позволява паралелизъм.
Класическата Pipelining техника се реализира в пет етапа:
1. IF (Instruction Fetch)
2. ID (Instruction Decode)
3. EX (Execute)
4. MEM/MA (Memory Access)
5. WB (Write Back).
Чрез използването на Pipelining по всяко време процесора изпълнява пет
инструкции, които са в различен етап. Тъй като RISC процесорите са физически
по-малки, е възможно добавянето на допълнителни системи върху чипа, като
например устройство, управляващо паметта или допълнителна кеш памет.
3.4. Pipelining
Това е техника, използвана в компютърните архитектури за увеличаване
на броя инструкции, изпълнявани от процесора за единица време. Тя не
намалява времето на изпълняване на една инструкция, но увеличава броя им.
Много различни процесори включват Pipelining със 7, 10 и дори 20 етапа.
Позволява изпълнението на по-сложни инструкции по-икономично.
3.5. Предимства на RISC процесорите:
3.5.1. Бързина – тъй като опростената инструкция позволява дизайн,
използващ