14.2 RISC и CISC архитектуры.Сравнение принципов,ограничения.Способы повышения быстродействия.

Под архитектурой системы команд (ISA – Instruction Set Architecture) понимают состав и возможности системы команд, общий взгляд на систему команд (СК) и связанную с ней микроархитектуру процессора с точки зрения программиста. Во многом именно архитектура СК определяет трактовку
архитектуры компьютера вообще как «…абстрактного представления о вычислительной машине с точки зрения программиста». Исторически первые микропроцессоры, появившиеся в 70-х годах XX века, имели относительно простую систему команд, что объяснялось небольшими возможностями интегральной схемотехники. По мере увеличения степени интеграции ИМС разработчики МП старались расширять систему команд и делать команды более функциональными, «семантически нагруженными». Это объяснялось, в частности, двумя моментами – во-первых, требованиями экономить память для размещения программ, оставлять больше памяти под данные и т.д., а во-вторых – возможностью реализовать внутри кристалла процессора сложные инструкции быстрее, чем при их программной реализации. В результате появились процессоры с большими наборами команд, причем команды эти также зачастую являлись достаточно сложными. В последствии эти МП назвали CISC – от Complete Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд или Complex ISС – со сложным набором команд. Типичным примером CISC-процессоров являются процессоры семейства x86 корпорации Intel и ее конкурентов (а также Motorola 68K и другие). Наряду с отмеченными преимуществами процессоры CISC обладали и рядом недостатков, в частности – команды оказывались сильно неравнозначными по времени выполнения (разное количество тактов), плохо конвейеризовывались, требовали сложного (и длительного) декодирования и выполнения. Для повышения производительности стали использовать жесткую логику управления, что отразилось на регулярности и сложности кристаллов (нерегулярные кристаллы менее технологичны при изготовлении). На кристалле оставалось мало места для РОН и КЭШ. Кроме того, исследования показали, что производители компиляторов и просто программисты не используют многие сложные инструкции, предпочитая использовать последовательность коротких. Разработчики подошли к концепции более простого и технологичного процессора с некоторым откатом назад – к простым и коротким инструкциям. С конца 70-х до середины 80-х годов появляются проекты таких процессоров Стэндфордского университета и университета Беркли (Калифорния) – MIPS и RISC. В основу архитектуры RISC (от Reduced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором команд) положены, в частности, принципы отказа от сложных и многофункциональных команд, уменьшения их количества, а также концентрация на обработку всей информации преимущественно на кристалле процессора с минимальными обращениями к памяти.
Основные особенности архитектуры RISC:
1. Уменьшение числа команд (до 30-40).
2. Упрощение и унификация форматов команд.
3. В системе команд преобладают короткие инструкции (например,
часто в СК отсутствуют умножения).
4. Отказ от команд типа память-память (например, MOVSB в x86).
5. Работа с памятью сводится к загрузке и сохранению регистров
(поэтому другое название RISC - Load-Store Architecture - архитектура типа
«загрузка-сохранение»).
6. Преимущественно реализуются 3-х адресные команды, например: add r1,r2,r3–сл r2 с r3 и рез-т в r1.
7. Большой регистровый файл - до 32-64 РОН.
8. Предпочтение отдается жесткой логике управления.
Преимущества архитектуры RISC:
1. Облегчается конвейерная, суперскалярная и другие виды параллельной обработки, планирование загрузки, предвыборка, переупорядочивание и т.д.
2. Более эффективно используется площадь кристалла (больше памяти – РОН, кэш).
3. Быстрее выполняется декодирование и исполнение команд – соответственно, выше тактовая частота. Примерами семейств процессоров с RISC-архитектурой могут служить
DEC Alpha , SGI MIPS, Sun SPARC и другие. Большинство современных суперскалярных и VLIW-процессоров (в т.ч. и Intel) либо имеют архитектуру RISC, либо реализуют похожие на RISC принципы, либо – поддерживают CISC-инструкции, но внутри транслируют их в RISC- подобные команды для облегчения загрузки конвейеров и решения других задач.