Cisc и Risk процессы. Реферат 09. 02. 02 Компьютерные сети По теме cisc и risc процессы
 Скачать 40.51 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления» (ВСГУТУ) Технологический колледж РЕФЕРАТ 09.02.02 «Компьютерные сети» По теме: «CISC и RISC процессы» по предмету: «Микропроцессоры» Выполнил: ст. гр. К67 Цыремпилов А.П. Проверила: Доцент; к/н ЭВС Базарова С.Б. Улан-Удэ 2020 Содержание Выполнил: ст. гр. К67 1 Цыремпилов А.П. 1 Введение 3 Архитектуры CISC и RISC 4 Основные отличия архитектур CISC и RISC. 11 Введение 3 Архитектуры CISC и RISC 4 Основные отличия архитектур CISC и RISC. 11 ВведениеТермин "архитектура системы" часто употребляется как в узком, так и в широком смысле этого слова. В узком смысле под архитектурой понимается архитектура набора команд. Архитектура набора команд служит границей между аппаратурой и программным обеспечением и представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. Следует отметить, что это наиболее частое употребление этого термина. В широком смысле архитектура охватывает понятие организации системы, включающее такие высокоуровневые аспекты разработки компьютера как систему памяти, структуру системной шины, организацию ввода/вывода и т.п. Применительно к вычислительным системам термин "архитектура" может быть определен как распределение функций, реализуемых системой, между ее уровнями, точнее как определение границ между этими уровнями. Таким образом, архитектура вычислительной системы предполагает многоуровневую организацию. Архитектуры CISC и RISCНа данный момент существует два направления в производстве микропроцессоров. Они различаются в принципах архитектуры. Первое направление - это процессоры RISC архитектуры; второе - CISC. 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 - 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 объём программ, на (30 %). Дейв Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC: - Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа. - Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины. - 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). - Состав системы команд должен быть “ удобен “ для компиляции операторов языков высокого уровня. Микропроцессоры с архитектурой CISC (Complex Instruction Set Computers) - архитектура вычислений с полной системой команд. Реализующие на уровне машинного языка комплексные наборы команд различной сложности (от простых, характерных для микропроцессора первого поколения, до значительной сложности, характерных для современных 32 -разрядных микропроцессоров типа 80486, 68040 и др.) Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере "выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата". Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает "чипы с сокращённой системой команд" (Reduced Instruction Set Computer). Одновременно "классические" процессоры получили обозначение CISC (Complex Instruction Set Computer) - компьютер со сложным набором инструкций. Сокращение нерегулярности потока команд позволило обогатить топологию RISC-процессоров пространственным параллелизмом, специализированными аппаратными АЛУ (ALU - блок логики и арифметики = Arithmetic (and) Logic Unit), независимыми кэш данных и команд, раздельными шинами ввода-вывода. Последние, в частности, увеличили длину конвейеров команд. Всё это повысило и производительность - увеличением числа операций, выполняемых за один такт, и быстродействие - сокращением пути транзактов - RISC-процессоров. При этом срок разработки данных чипов свидетельствует о том, что её трудоёмкость меньше, чем в случае CISC-процессоров. На мировых рынках CISC-процессоры представлены, в основном, клонами процессоров Intel серии x86, производимыми AMD, Cyrix, а RISC - чипами Alpha, PowerPC, SPARC. Уступая во многом последним, процессоры x86 сохранили лидерство на рынке персональных систем лишь благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого - в начале 90-х годов - составила несколько миллиардов долларов США. В свою очередь, достоинства RISC-процессоров укрепили их позиции на более молодом рынке высокопроизводительных машин. Несмотря на формальное разделение "сфер влияния", между представителями этих архитектур в начале 90-х годов началась острая конкуренция за превентивное улучшение характеристик. В первую очередь, производительности и её отношения к трудоёмкости разработки процессоров. Следуя принципу "бить врага его оружием", создатели и CISC, и RISC-процессоров нередко боролись с конкурентами, заимствуя их удачные решения. Первыми на то решились разработчики Intel, реализовавшие в i486 пространственный параллелизм вычислений с фиксированной и плавающей запятой. Поддержка каждого АЛУ своей шиной данных/команд и регистровым блоком повысила производительность i486 одновременным выполнением указанных команд. Кроме того, интеграция кэш и очереди команд позволила поднять частоту ядра процессора в 2-3 раза в сравнении с системной шиной. Однако совместное размещение данных и команд ограничило эффективность кэш необходимостью его полной перезагрузки после выполнения команд переходов. Для устранения недостатка в Pentium реализованы раздельные кэш для команд и данных, позволяющие после переходов перезагружать лишь команды - такое решение называется Гарвардской архитектурой, а также предсказание переходов, снижающее частоту перезагрузок. Последнее достигается предварительной загрузкой в кэш команд с обоих разветвлений. Введение второго целочисленного тракта, состоящего из АЛУ, адресного блока, шин данных/команд, и работающего на общий блок регистров, повысило производительность поддержкой параллельной обработки целочисленных данных. Развитием данной тенденции стало обогащение Pentium MMX мультимедийным трактом, образованным АЛУ, шинами данных/команд и регистровым файлом. При этом в случае выборки двух целочисленных команд, зависящих по данным, каждая из них выполняется последовательно, что снижает эффективность работы процессора. Частично поправило ситуацию создание оптимизирующих рекомпиляторов, например, Pen_Opt фирмы Intel, разделяющих по возможности такие команды. Реализация описанного управления обработкой команд CISC-формата вызвала дополнительный рост трудоёмкости разработки Pentium в сравнении с i8086/i486, что привело не только к увеличению её реального срока на 27% в сравнении с ожидаемым, но и к проявлению ошибок в первых моделях данного процессора. Учтя это, компания Intel реализовала в Pentium Pro RISC-подобную организацию вычислений. Интерпретация команд х86 внутренними - RISC86 - инструкциями VLIW-формата помимо снижения нерегулярности их потока, обеспечила синхронную загрузку четырёх операционных - по два с плавающей и фиксированной запятой - АЛУ этого чипа. Термин VLIW расшифровывается как "очень длинное командное слово" (Very Long Instruction Word). Инструкции этого формата содержат команды для всех параллельных АЛУ. Обогащение управления обработкой предвыборкой данных и команд, предполагаемых к обработке в ближайшие 20 тактов, повысило регулярность загрузки вычислительных трактов. В свою очередь, осуществление предвыборки из интегрированного на кристалле кэш второго уровня, обслуживаемого раздельными шинами "интерфейс-кэш" и "кэш-АЛУ" и работающего на частоте АЛУ, повысило быстродействие подготовки команд в сравнении с внешними кэш. Дополнительное повышение производительности Pentium Pro обеспечило увеличение длины команд до 11 ступеней введением ступеней трансляции и предвыборки. Кроме того, интеграция кэш второго уровня позволила умножать частоту ядра в 5-6 раз. В архитектуре Р6 RISC-решения впервые в семействе х86 перестали быть лишь дополнением исконных CISC-средств повышения производительности - роста разрядности, отложенной записи шины и других. Поэтому частица PRO в названии первого процессора этой серии обозначает "Полноценная RISC-архитектура" (Precision RISC Organization). Топологические новинки Pentium II - интеграция тракта MMX, мультипроцессорный интерфейс Xeon, вынесение кэш второго уровня на кристалл в корпусе чипа, как и полное устранение кэш второго уровня в Celeron, не имеют в данном случае качественной роли и направлены на оптимизацию отношения характеристик этих процессоров, к их цене. При этом сокращение нерегулярности потока RISC86-инструкицй ограничило рост требований к развитию управления вычислениями в сравнении с Pentium. Одновременно снижение трудоёмкости разработки аппаратно-программных реализаций алгоритмов работы Pentium Pro, достигнутое развитием САПР, ослабило влияние развития обработки данных, оцениваемого ростом объёма информации, заложенной в реализациях этой обработки, на общую трудоёмкость разработки процессоров, оцениваемую её длительностью. Последнее создало возможность оптимизации соотношения характеристик чипов и их трудоёмкости не снижением последней ограничением внедрения прогрессивных решений в CISC-архитектуру или ограничением функциональных возможностей RISC-процессоров, а ростом характеристик, достигаемым сочетанием преимуществ упомянутых архитектур. Сказанное иллюстрирует и организация современных RISC-процессоров. Их отличает, в данном случае, развитие систем команд с целью сохранения иерархической совместимости и снижения трудоёмкости разработки программ. Это сближает технологии обработки команд процессорами упомянутых архитектур. Например, SuperSparc взяли от последних моделей х86 предсказание переходов и предварительную интерпретацию кода. Таким образом, развиваясь, каждая из рассмотренных архитектур, "отказавшись" от своих черт - CISC от скалярности вычислений, RISC от "простоты" системы команд, приобрела лучшие черты конкурента, что повысило характеристики её представителей. Это подтверждает и процессор Merced, разрабатываемый недавними противниками - Intel и Hewlett Packard. Имеющиеся сведения позволяют предположить, что его архитектура продолжит тенденции Pentium Pro по оптимизации обработки внутренних VLIW-подобных команд реализацией эффективных архитектурных решений при одновременной оптимизации преобразования "внешних" инструкций. Особо отмечаются намерения создания двух вариантов этого чипа, различающихся лишь множеством этих инструкций. Первый будет совместим с CISC-семейством x86, второй - с RISC-процессорами Alpha. Будучи "един в двух лицах", Merced ознаменует прекращение соперничества CISC и RISC, в ходе которого представители данных архитектура улучшили свои характеристики реализацией лучших аппаратно-программных решений конкурентов. Это позволяет предположить, что дальнейшее развитие массовых процессоров пройдёт по пути развития топологических и микропрограммных решений вычислительного ядра RISC-организации при одновременном повышении возможностей CISC-подобной "внешней" системы команд. В общем случае для CISC-процессоров характерно следующее: небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, которые выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; наличие команд обработки типа регистр-память. К процессорам класса CISC относятся широко распространенные в персональных компьютерах процессоры фирм Intel, AMD, Cyrix. В процессорах с набором команд RISC все команды имеют одинаковую длину и формат, а также простую адресацию памяти. Каждая команда выполняет только простые действия за один такт. В общем случае для для RISC-процессоров характерно следующее: отделение команд обработки данных от команд работы с памятью; выполнение любой команды занимает небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт); логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентируется на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию; используются команды фиксированной длины и фиксированного формата; наличие большого числа регистров, что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время. Это значительно увеличивает быстродействие процессора. Проще говоря, сущность архитектуры RISC состоит в том, что в процессоре выполняются простые команды за один такт. При этом любую сложную команду можно разбить на несколько простых. Выполнение простых команд происходит быстрее, чем сложных, причем выполнение простых команд может происходить параллельно. Поэтому быстродействие RISC процессоров в общем случае выше, чем у CISC. Основные отличия архитектур CISC и RISC.RISC - Reduced Instruction Set Computer. Набор команд в процессорах построенных на данной архитектуре, как видно из названия, упрощенный. Что позволяет поднять частоту, снизить стоимость производства и оптимально распараллеливать задачи. Вот собственно основное отличие. В CISC архитектуре соответственно длина команды не ограничена, одна инструкция содержит (может содержать) несколько арифметических действий. Как следствие - требуются суперскалярные вычисления и использование в процессоре конвейера. По сути процессор построенный по CISC архитектуре выполняет те же команды что и процессор на RISC архитектуре, но внутри себя содержит командный интерпретатор, "переделывающий" сложные команды в несколько простых. Заключение На сегодня внутреннее построение этих разных архитектур процессоров становится все оптимальнее и ближе друг к другу. Все, что способствует увеличению производительности используется разработчиками обеих архитектур. Реально внутри у обеих архитектур большое число физических регистров. Команды внутри преобразуются в микрокоды, где присутствуют все операнды команды, есть в микрокоде разные флаги, по которым определяется зависимость по данным. И т.д. Были рассмотрены микроконтроллеры с RISC и CISC архитектурой, особенности архитектур, их основные отличия. На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства, процессоров — микроконтроллеры. При проектировании микроконтроллеров приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д. Контрольные вопросы: 1) Процессор, функционирующий с сокращенным набором команд: а) CISC б) RISC 2) Такт работы процессора – это… а) период времени, за который осуществляется выполнение команды исходной программы в машинном виде; состоит из нескольких тактов б) устройство, предназначенное для временного хранения данных ограниченного размера в) комплекс команд, поддерживающий работу системы г) промежуток времени между соседними импульсами генератора тактовых импульсов 3) Максимальное число регистров содержат процессоры. А) С архитектурой CISC Б) С архитектурой RISC В) Суперскалярные процессоры Г) Суперконвейерные процессоры 4) Для компьютера с CISC-архитектурой является характерным
5) Для компьютера с CISC-архитектурой является характерным
6) Для компьютера с RISC-архитектурой является характерным
7) Для компьютера с RISC-архитектурой является характерным
|