Типы микропроцессоров

Если первоначально именно наличие МП служило признаком микроЭВМ, то сейчас МП используются во всех без исключения классах ЭВМ.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

- Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

- Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

- Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

- Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров c 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. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

МП типа CISC– Complete Instruction Set Computer

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

Для CISC-процессоров характерно:

*сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

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

* большое количество методов адресации;

* большое количество форматов команд различной разрядности;

* преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Большинство современных ПК типа IBM PC используют МП типа CISC. В CISC-микропроцессоре набор команд очень богат, и довольно сложную задачу можно выполнить одной командой. Например в Intel-системе одной командой можно скопировать целую строку символов. Однако именно богатый набор команд стал традиционным источником определенных ограничений этой архитектуры, которые приводят к тому, что отдельные команды могли выполняться в несколько тактов. Этот недостаток особенно очевидно проявлялось в архитектуре 386, где команды часто выполнялись за два, а то и за четыре такта. Процессоры Intel 486, Pentium Pro, по своей производительности уже приближались к RISC-процессорам.

Примечание. В программах решения многих задач содержится большое число условных передач управления. Если процессор может заранее предсказывать направление перехода (ветвления), то его производительность значительно возрастает за счет оптимизации работы вычислительных конвейеров. В МП Pentium Pro вероятность правильного предсказания 90% против 80% у МП Pentium.

МП типа RISC – Reduced Instruction Set Computer.

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.

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.

Микропроцессоры с архитектурой RISC (Reduced Instruction Set Computers) используют сравнительно небольшой (сокращённый) набор наиболее употребимых команд, определённый в результате статистического анализа большого числа программ для основных областей применения CISC (Complex Instruction Set Computer)- процессоров исходной архитектуры. Все команды работают с операндами и имеют одинаковый формат. Обращение к памяти выполняется с помощью специальных команд загрузки регистра и записи. Простота структуры и небольшой набор команд позволяет реализовать полностью их аппаратное выполнение и эффективный конвейер при небольшом объеме оборудования. Арифметику RISC- процессоров отличает высокая степень дробления конвейера. Этот прием позволяет увеличить тактовую частоту (значит, и производительность) компьютера; чем более элементарные действия выполняются в каждой фазе работы конвейера, тем выше частота его работы. RISC - процессоры с самого начала ориентированны на реализацию всех возможностей ускорения арифметических операций, поэтому их конвейеры обладают значительно более высоким быстродействием, чем в CISC - процессорах. Поэтому RISC - процессоры в 2 - 4 раза быстрее имеющих ту же тактовую частоту CISC - процессоров с обычной системой команд и высокопроизводительней, несмотря на больший объем программ, на (30 %). Существует 4 основных принципа RISC:

1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.

2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.

3. Операции обработки данных реализуются только в формате “регистр - регистр“ (операнды выбираются из оперативных регистров процессора, и результат операции записывается также в регистр; а обмен между оперативными регистрами и памятью выполняется только с помощью команд загрузки\записи).

4. Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции 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.

Если бы все действительно было так хорошо, то RISC-процессоры вытеснили бы Intel, однако этого не происходило из-за их “рискового” характера. МП типа RISC имеют очень высокое быстродействие, но программно не совместимы с СISC-процессорами. При выполнении программ, разработанных для ПК РС, они могут лишь эмулировать СISC на программном уровне, что резко снижает производительность.

На рынке RISC-систем не было совместимости, как у микропроцессоров Intel. Почти се известные фирмы разработали по несколько вариантов микросхем RISC, что привело к анархии. На рынке присутствовали десятки разных RISC-процессоров, каждый из которых работал под управлением собственной операционной системы. Для того, чтобы вкладывать большие средства в RISC-системы, разработчики должны были увидеть жизнеспособный рынок, конечные пользователи иметь широкую номенклатуру приложений.

Как бы там ни было, сейчас RISC-архитектуры в абсолютном меньшинстве. Да и компании, которые изначально слыли приверженцами RISC-концепции, так или иначе объявили, что собираются делать ставку на новые идеи, иными словами - на post-RISC-процессоры. Речь идет в первую очередь о компаниях Sun и HP, хотя и анонсировавших новые RISC-процессоры для своих серверов, но говорить о каком бы то ни было качественном прогрессе этих архитектур не приходится. Дело в том, что новые процессоры будут не только использовать шасси предыдущих серверных решений и, как следствие, смогут быть установлены в них в качестве upgrade-блоков, но и в полной мере сохранят все предыдущие наработки, за минимальным числом нововведений. Главная черта современных RISC-процессоров - двухъядерность, дающая процессорам весьма ощутимый рост производительности.

Резюме:

МП типа RISC содержат только набор простых, часто встречающихся в программах команд. При необходимости выполнения более сложных команд в МП производится их автоматическая сборка из простых. За счет наложения и параллельного выполнения команд все RISC-архитектуры могут обеспечивать быстродействие, равное тактовое частот, т.е. одна команда за один такт.

Дата добавления: 2015-07-14