CISC және RISC процессорларының архитектурасы. CISC және RISC архитектураларының салыстырмалы талдауы. CISC және RISC процессорларының архитектурасы. Cisc жне risc процессорларыны архитектурасы cisc жне risc архитектураларыны салыстырмалы талдауы
 Скачать 291.5 Kb.
|
|
CISC және RISC процессорларының архитектурасы. CISC және RISC архитектураларының салыстырмалы талдауы VLSI технологиясының соңғы жетістіктеріне негізделген суперминкомпьютерлерді жобалау кезінде оған басқа элементтік негізде жасалған сәтті компьютердің архитектурасын толығымен көшіру мүмкін емес болып шықты. Кристалл ресурстарындағы техникалық шектеулерге байланысты мұндай тасымалдау өте тиімсіз болады: аудан, транзисторлар саны, қуаттың шығыны және т.б. Бұл шектеулерді жою үшін Берклиде (АҚШ, Калифорния) RISC (Шектеулі (қысқартылған) нұсқаулар жинағы компьютері) архитектурасы (регистрге бағытталған архитектура) әзірленді. Осындай архитектурасы бар компьютерлерді кейде қысқартылған командалар жинағы деп атайды. Оның мәні кең таралған операцияларды таңдауда және оларды жылдам орындауға бейімделген архитектураны құруда жатыр. Бұл шектеулі ресурстар жағдайында өткізу қабілеттілігі жоғары компьютерлерді жасауға мүмкіндік берді 2.1. RISC архитектурасының негізгі принциптеріКомпьютерлік индустрия RISC жүйелеріндегі нағыз бумның куәсі болуда. RISC концепциясына негізделген жұмыс станциялары мен серверлер өздерінің ерекше өнімділігі мен осы платформаларда қолданылатын UNIX-тәрізді операциялық жүйелердің бірегей қасиеттерінің арқасында көшбасшылыққа ие болды. 80-жылдардың басында Калифорния, Стэнфорд университеттерінде, сондай-ақ IBM зертханаларында жүргізілген RISC архитектурасы саласындағы теориялық зерттеулер бір уақытта дерлік аяқталды. Профессор Дэвид Паттерсон мен Карло Секуин басқарған RISC-1 жобасының маңызы ерекше. Олар RISC терминін енгізді және RISC архитектурасының төрт негізгі қағидасын тұжырымдады: * әрбір команда, оның түріне қарамастан, бір машиналық циклде орындалады, оның ұзақтығы мүмкіндігінше қысқа болуы керек; * барлық командалардың ұзындығы бірдей болуы керек және адрестік форматтардың ең азын пайдалану керек, бұл процессорды орталық басқару логикасын айтарлықтай жеңілдетеді; * жадыға қол жеткізу тек жазу және оқу операцияларын орындау кезінде пайда болады, барлық мәліметтерді өңдеу тек қана процессордың регистрлік құрылымында жүзеге асырылады; * пәрмен жүйесі жоғары деңгейдегі тілді қолдауды қамтамасыз етуі керек. (Бұл әртүрлі бағдарламалау тілдері үшін ең тиімді командалар жүйесін таңдауға қатысты.) Уақыт өте келе бұл принциптердің кейбірінің түсіндірмесі өзгерді. Атап айтқанда, технологияның ұлғайтылған мүмкіндіктері нұсқаулар құрамының шектелуін айтарлықтай жеңілдетуге мүмкіндік берді: бірінші буын архитектураларында қолданылатын елу команданың орнына қазіргі заманғы RISC процессорлары 150-ге жуық нұсқауларды жүзеге асырады. Дегенмен, RISC негізгі заңы мызғымас болды және солай болып қала береді: деректерді өңдеу тек регистр құрылымы шеңберінде және тек «регистр – регистр – регистр» командалары форматында жүзеге асырылуы керек. RISC микропроцессорларында микросхема аймағының маңызды бөлігін мәліметтерді өңдеу жолы алады, ал оның өте аз бөлігі басқару бөлімі мен дешифраторға бөлінген. Таңдалған операцияларды аппараттық қамтамасыз ету, әрине, олардың орындалу уақытын қысқартады, бірақ мұндай іске асырудың критерийі тұтастай алғанда компьютердің жалпы өнімділігін және оның құнын арттыру болып табылады. Сондықтан архитектураны құрастырған кезде әртүрлі тәсілдер, операциялардың әртүрлі жиынтықтары арасындағы айырбастау нәтижелерін талдау және олардың негізінде оңтайлы шешімді таңдау қажет. RISC архитектурасының дамуы негізінен оңтайландырушы компиляторларды жобалаудағы жетістіктермен анықталады. Тек заманауи компиляция технологиясы ғана үлкен регистрлік файлды, конвейерлік ұйымдастыруды және нұсқауларды орындаудың жоғары жылдамдығын тиімді пайдалана алады. RISC процессорларында жиі қолданылатын компиляция технологиясында оңтайландыру процесінің басқа да қасиеттері бар: кешіктірілген секірістерді жүзеге асыру және бір уақытта бірнеше нұсқауларды орындауға жіберуге мүмкіндік беретін суперскалярлық өңдеу. 2.2. RISC – және CISC – архитектураларының ерекше белгілеріҚазіргі есептеулер дәуірінде есептеуіш индустриясы пайдаланатын екі негізгі командалар жинағы архитектурасы CISC және RISC архитектуралары болып табылады. CISC архитектурасының негізін қалаушы, Complete Instruction Set Computer (CISC) IBM негізгі архитектурасы бар IBM / 360 деп санауға болады, оның ядросы 1964 жылдан бері қолданылып келеді және бүгінгі күнге дейін сақталған, мысалы, осындай заманауи IBM ES / 9000 сияқты негізгі компьютерлер. X86 және Pentium микропроцессорлары бар Intel толық командалық микропроцессорларды әзірлеуде көшбасшы болып саналады. Бұл микропроцессорлар нарығы үшін іс жүзінде стандарт. RISC процессоры архитектурасының қарапайымдылығы оның ықшамдылығын қамтамасыз етеді, CISC архитектурасының даму жолын табанды түрде ұстанатын Intel процессорларында жоқ кристалды салқындатумен іс жүзінде ешқандай проблемалар жоқ. CISC архитектурасының стратегиясы деректерді өңдеудің «ауырлық орталығын» жүйенің бағдарламалық деңгейінен аппараттық деңгейге ауыстырудың технологиялық мүмкіндігіне байланысты қалыптасты, өйткені CISC компьютері үшін тиімділікті арттырудың негізгі жолы көрінді, біріншіден. барлығы, компиляторларды жеңілдету және орындалатын модульді азайту. Бүгінгі күні CISC-процессорлары компьютер нарығында дерлік дербес компьютерлер секторын алады, бірақ RISC-процессорларының өнімділігі жоғары серверлер мен жұмыс станциялары секторында теңдесі жоқ. CISC архитектурасының ұқсас мүмкіндіктері бар RISC архитектурасының негізгі мүмкіндіктері келесідей бейнеленген (2.1-кесте): 2.1-кесте.Сәулет өнерінің негізгі белгілері
RISC архитектурасының маңызды артықшылықтарының бірі арифметикалық есептеулердің жоғары жылдамдығы болып табылады. RISC процессорлары ең көп қолданылатын IEEE 754 стандартының жолағына бірінші болып жетті, ол 32-биттік тіркелген нүкте пішімін және 64-биттік «толық дәлдік» өзгермелі нүкте пішімін орнатады. Арифметикалық операцияларды орындаудың жоғары жылдамдығы жоғары есептеу дәлдігімен үйлесімде RISC процессорларына CISC процессорларымен салыстырғанда өнімділік бойынша сөзсіз көшбасшылықты қамтамасыз етеді. RISC процессорларының тағы бір ерекшелігі – арифметикалық құрылғылардың тоқтаусыз жұмысын қамтамасыз ететін құралдар жиынтығы: динамикалық тармақты болжау механизмі, операциялық регистрлердің үлкен саны және көп деңгейлі кірістірілген кэш жады. Тізілім құрылымын ұйымдастыру RISC-тің басты еңбегі және басты мәселесі болып табылады. RISC архитектурасының кез келген дерлік жүзеге асырылуы үш орындық өңдеу операцияларын пайдаланады, онда нәтиже және екі операнд өздігінен адрестеледі – R1: = R2, R3. Бұл айтарлықтай уақыт шығынынсыз адрестелетін операциялық регистрлерден операндтарды таңдауға және регистрге операцияның нәтижесін жазуға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, үштік операциялар компиляторға CISC архитектурасының типтік регистр-жад қос операцияларына қарағанда көбірек икемділік береді. Жоғары жылдамдықты арифметикамен үйлескенде RISC регистр-регистр операциялары процессор жұмысын жақсартуда өте күшті. Сонымен қатар, регистрлерге сүйену RISC архитектурасының Ахиллес өкшесі болып табылады. Мәселе мынада, тапсырманы орындау процесінде RISC жүйесі арифметикалық блоктың ұзақ тұрып қалуын тудырмау үшін процессор регистрлерінің мазмұнын қайта-қайта жаңартуға мәжбүр болады және ең аз уақыт көлемінде. CISC жүйелері үшін бұл мәселе жоқ, өйткені регистрлердің модификациясы жадтан жадқа командаларды өңдеу кезінде орын алуы мүмкін. RISC архитектурасында регистрді түрлендіру мәселесін шешудің екі тәсілі бар: RISC-1 және RISC-2 жобаларында ұсынылған аппараттық құрал және IBM және Стэнфорд университетінің мамандары әзірлеген бағдарламалық қамтамасыз ету. Олардың арасындағы түбегейлі айырмашылық мынада: аппараттық шешім қосымша процессорлық жабдықты орнату арқылы процедураны шақыру уақытын қысқартуға ұмтылуға негізделген, ал бағдарламалық шешім компилятордың мүмкіндіктеріне негізделген және процессордың аппараттық құралдары тұрғысынан үнемді. |