Микропроцессоры с RISC-аpхитектуpой. CISC и RISC архитектуры

Основные модели CISC и RISC-процессоров.

1. Классическими моделями являются модели вычислительных систем IBM/360, IBM/370, IBM/390. Выпуск первых моделей относится к середине 60-х годов.

Mainframe. В плане преемственности в 21в. IBM выпустила модель G5, поддерживающую архитектуру Mainframe’ов; поддерживающих 2 стандарта представления чисел с плавающей точкой: стандарт MFP (IBM/360) - S=16, стандарт IEEE 750 - S=2.

Классикой считаются миникомпьютеры:

2. PDP-11, VAX фирмы DEC (80-90гг.). (Отечественный аналог СМ ЭВМ).

3. Семейство процессоров Intel 80x86, Pentium.

4. Семейство фирмы AMD (Advanced Micro Device): K5, K6, K7 - Athlon/Duron, K8 – Hammer (64-разрядная арх-ра)

o 5x86 – аналог Pentium,

o 6x86 – аналог Pentium MMX

o Winchip C6 – аналог Pentium MMX

7. Motorola M68xxx

1. Alpha DEC/HP модели.

Выпуск моделей в последнее время прекращен, т.к. фирма переключилась на архитектуру IA-64 (1 модель Intel Itanium – VLIW- арх-ра (very long instruction word))

2. SPARC (Scalable Processor ARChitecture) – Sun Microsystems

Являясь разработчиком SPARC, фирма SUN предоставила лицензию на производство процессоров с предлагаемой спецификацией. Эти процессоры выпускаются компаниями TI (Texas Instrument), Фуджицу.

К настоящему времени выпущено 4 основных вида SPARC:

MicroSPARC – 32 разряда

SuperSPARC – 32 р

HyperSPARC – 32 р

UltraSPARC – 64 разряда

3. Power. Семейство. Фирма IBM. Performance Optimized With Enhanced RISC. Основные области применения: высокопроизводительные серверы и суперкомпьютеры (Классов MPP – Massively Parallel Processing)

4. PA-RISC (фирма HP) – Precision Architecture

5. MIPS (Microprocessor without Integer locked Pipeline Stage)

8. Режимы работы ЦП: прикладной и системный - и их особенности. Реализация режимов в процессорах семейства Intel 80x86, Pentium в виде реального режима (RM) и защищенного режима (PM). Основные особенности режимов и способы их переключения.

В целях разграничения доступа к системным ресурсам со стороны системных и прикладных программ в современных процессорах поддерживаются два основных режима функционирования: прикладной и системный .

В системном режиме допускается использование системных ресурсов, в том числе системных регистров и системных (привилегированных) команд.

В прикладном режиме попытка использования системных регистров и привилегированных команд пресекается выходом на обработку соответствующего прерывания.

В простейшем виде режим работы процессора задается с помощью специального бита, находящегося в каком-либо системном регистре. Например, в процессоре системы IBM/370 бит режима находится в слове состояния программы (Program Status Word – PSW). Два альтернативных состояния в этих процессорах называются “задача (task)” и ”супервизор (supervisor)”.

Аналогичный бит режима, называемый PS (Processor Status) имеет место в моделях миникомпьютеров VAX11. Находится в слове состояния процессора.

В процессорах семейства Intel 80х86 разделение пользовательских и системных режимов задается специальным битом PE (Protect Enabled) в управляющем регистре CR0 (0 бит). Управляющие регистры относятся к системным. (CR0-CR4, CR1 - нету).

PE = 0 – реальный режим работы процессора (RM - Real Mode)

PE = 1 – защищенный режим работы процессора (PM - Protected Mode)

Реальный режим: в RM процессор старшей модели выполняет программы, составленные для младших моделей, в том числе для базовой модели Intel 8086, с помощью этого режима поддерживается возможность выполнения большого числа программ, наработок, ранее созданных для младших моделей.

С точки зрения программиста процессоры старших моделей в RM представляют более быстрый базовый процессор с расширением набора команд и регистров до уровня процессоров старших моделей.

Одной из основных особенностей RM является формирование физического адреса на основе простейшей модели сегментированной памяти (как в базовой модели). – СМ. вопр. 8

После включения питания процессоры старших моделей программой инициализации автоматически переводятся в RM. Аналогичная процедура (Переключение в RM) и по сигналу сброса Reset.

Переход из RM в PM может осуществляться командой MOV (системной), загружающей системный регистр CR0 с новыми состояниями с установленным битом PE. Перед этим в RM должна быть произведена загрузка необходимых регистров, используемых в PM.

Основные отличия RM от базовой модели :

1) Возможность использования расширенной системы команд, не допускается лишь использование небольших групп команд, связанных непосредственно с PM.

2) Возможность использования расширенного набора регистров (дополнительный сегмент регистров FS, GS)

3) Возможность использования 32-разрядных операндов.

Основные особенности PM :

1) Использование разнообразных средств защиты программы и данных от несанкционированного доступа. Одним из основных видов является защита по уровням привилегий (по кольцам защиты).

Концепция защиты:

Обеспечение возможности доступа из внутренних колец во внешние, с пресечением попыток доступа из внешних колец во внутренние.

Наивысший уровень привилегий PL = 0 – присваивается программам и данным ядра ОС.

Низший – PL = 3 – уровень принадлежащий программам (присваивается пользовательским сегментам кода и данных).

PL = 1, 2 (для обслуживающих и обрабатывающих программ ОС, в частности, драйверы ВУ PL = 1, компиляторы – PL = 2).

Современные ОС поддерживает только два уровня привилегий: системный и пользовательский, которые имеют место при страничной организации.

2) Поддержка виртуальной организации памяти

3) Использование средств поддержки так называемого мультизадачного режима процессора, с помощью которого создается иллюзия параллельного выполнения программ (задач) за счет быстрого переключения с одной задачи на другую.

9. Конвейер команд как средство реализации низкоуровневого параллелизма (ILP) и его концепции. Классический шестиступенчатый конвейер команд. Идеальные условия обеспечения максимальной производительности.

Конвейризация (pipeline) является одним из важнейших способов реализации низкоуровневого параллелизма (уровень машинных команд, ILP instruction level parallelizm). В принципе конвейеры команд появились в компьютерах в начале шестидесятых годов. Концепции конвейера команд базируются на следующем:

1. Разделение порядка выполнения машинной команды на ряд последовательных этапов.

2. Разделение аппаратуры процессора в части блока управления на ряд независимых блоков, каждый из которых может выполнять один или несколько последовательных этапов команды. Количество этапов (стадий, фаз, ступеней) является важной характеристикой конвейера команд. Классический конвейер команд является шестиступенчатый.

1) выборка команды (IF instruction fetch)

3) формирование адресов операндов OA (operand address)

4) выборка операндов OF (operand fetch)

5) выполнение операции EX (executive)

6) запись результата ST (store)

Принято считать, что конвейер команд с числом ступеней, большим чем у классического, но меньше 10, реализует суперконвейерную обработку, а с числом ступеней больше 10-15, гиперконвейерную обработку. В современных процессорах используются конвейеры команд с числом ступеней порядка 20.

10. Основные причины снижения производительности реальных конвейеров команд: структурные риски, риски по данным, риски по управлению - и способы устранения или уменьшения их влияния.

В идеальном случае, N-ступенчатый конвейер команд дает увеличение производительности процессора в N раз. Идеализация определенной оценки связывается со следующими:

· длительность всех фаз одинакова

· время переключения конвейера с фазы на фазу пренебрежимо мало по сравнению с длительностью фаз

· все фазы конвейера максимально загружены, что может иметь место только на линейных участках программы.

(RISC - reduced instruction set computer - компьютер с сокращенным набором команд).

CPU первого типа являются традиционными, а их система команд включает большое количество команд для выполнения арифметических и логических операций, команд управления, пересылки и ввода-вывода данных. При считывании из операнда кода операции процессор обращается в ПЗУ микрокоманд и получает набор микроинструкций, реализующий алгоритм выполнения данной команды.

Такие CPU способны реализовывать любой алгоритм, который предварительно кодируется в системе команд данного CPU. Большинство универсальных CPU аппаратно поддерживают только целочисленную арифметику. Арифметика же с плавающей точкой реализуется программно во внутренних сопроцессорах . Сопроцессор расширяет набор команд ЭВМ. Когда основной процессор получает команду, которая не входит в его рабочий набор, он передает управление сопроцессору с целью ее выполнения.

Формально к этому классу относятся в большей или меньшей степени все нынешние Athlon , Pentium и прочие процессоры для IBM PC-совместимых компьютеров. В большей или меньшей потому, что те или иные заимствования идей и методов RISC имеются практически в каждом современном чипе.

Из названия RISC следует, что основу архитектуры составляет сокращенный набор команд. Сокращенный - в данном контексте означает также упрощенный для достижения максимальной производительности. Команды в архитектуре RISC имеют фиксированную и небольшую длину, они не нуждаются в интерпретации. С другой стороны, RISC-процессоры обладают значительным числом регистров, что позволяет хранить большое число данных на кристалле процессора и упрощает работу компилятора по распределению переменных по регистрам. Использование трехадресных команд упрощает их дешифрацию и дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без перезагрузки.

По мере развития архитектуры RISC появлялись все новые возможности наращивания производительности. Ключевыми из них являются суперскалярная (многоконвейерная) обработка, внеочередное выполнение команд, появление смешанных или групповых команд для выполнения часто повторяющихся последовательностей. Однако RISC-процессоры не являются суперскалярными в полном смысле слова, и реализация параллельных вычислений в рамках этой архитектуры достаточно сильно ограничена.

Еще одним фактором, сдерживающим стремительный рост производительности процессоров на основе архитектуры RISC, является проблема условных переходов. Проблема характерна для любой архитектуры, поскольку условные переходы значительно тормозят работу процессора. Однако бороться с ними в случае архитектуры RISC особенно сложно, ввиду ограниченного набора инструкций - меньшее число команд ведет к росту числа ветвлений.

Основные задачи распараллеливания вычислений (ILP - Instruction Level Parallelism):

Проверка зависимостей между инструкциями для выявления тех из них, которые можно сгруппировать для параллельного выполнения;

Распределение инструкций между функциональными блоками процессора;

Определение момента начала выполнения инструкций.

На основе статистического анализа кода множества CISC-приложений определяются наиболее часто используемые команды; уменьшение же числа команд позволяет увеличить число внутренних регистров (пересылка между регистрами выполняется быстрее всего), сделать конвейер более эффективным и поднять частоту его работы (чем более простые команды в нем исполняются, тем выше частота). Несмотря на значительно увеличившийся объем программного кода, RISC-процессор будет работать в несколько раз быстрее CISC-процессора с одинаковой частотой: специализация всегда предпочтительнее универсальности в плане быстродействия.

Разницу между RISC- и CISC-программами можно пояснить на простом примере. Но для начала оговорим некоторые детали: память компьютера адресуется по номеру строки и столбца, из которого осуществляется выборка (или в который производится запись). Операции над значениями из памяти производятся в исполнительном блоке, который, однако, может работать лишь с данными, загруженными в процессорные регистры.

Пусть нам нужно умножить два значения в памяти по некоторым адресам 2:2 (строка:столбец) и 5:4. CISC нацелен на исполнение задачи при минимуме команд: набор инструкций процессора строится таким образом, чтобы все более или менее сложные действия решались одной командой. Предположим, что в CISC- процессоре имеется команда MULT, которая выбирает указанные значения из ячеек памяти, записывает их в различные регистры и сохраняет результат в соответствующем регистре. Тогда задача умножения решится в одну строку кода:

MULT 2:2, 5:4

RISC-процессоры используют простые инструкции, которые исполняются за один такт. В этом случае вместо MULT потребуются команды LOAD/STORE, загружающие данные из памяти в регистр и записывающие их обратно, а также команда PROD, выполняющая умножение данных в двух некоторых регистрах. Эквивалентом MULT для RISC-процессора будет следующий код:

LOAD A, 2:2

LOAD B, 5:4

PROD A, B

STORE 2:3, A

Очевидно, код длиннее, но скорость выполнения операций на регистрах в 4 - 8 раз выше.

Таблица 1. Различия CISC и RISC

В принципе, с увеличением объема кода можно мириться, если этот увеличенный объем позволит в несколько раз повысить быстродействие - при необходимости программы пишут на ассемблере. Кроме того, RISC-код очень эффективно «распараллеливается».

В чем тогда причина непринятия RISC рынком IBM PC? Во-первых, наборы инструкций CISC и RISC несовместимы. CISC-кодов для PC-программ было написано очень много, а под RISC - на порядки меньше. Создавались эмуляторы, автоматически транслирующие CISC-инструкции в RISC (подобные приемы увеличения скорости обработки используются в современных CISC-процессорах), но работали они настолько медленно, что разница в производительности между настоящими и эмулированными CISC практически сводилась к нулю. Таким образом, эмулировать CISC на RISC-процессорах оказалось неэффективно, а главное - экономически нецелесообразно.

Во-вторых, как следствие сыграла свою роль несовместимость программного обеспечения. Для х86 уже были написаны DOS и набирающая популярность Windows, а различные RISC- процессоры базировались на Unix, причем, как правило, на несовместимых между собой ее версиях. Да и программ для них было куда меньше, особенно пользовательских. В-третьих, несмотря на кажущуюся «упрощенность», RISC-процессоры были дороги - они выпускались сравнительно небольшими партиями для высокопроизводительных рабочих станций, и производители не считали нужным ни экономить на материалах, ни оптимизировать дизайн, ни упрощать чипсет и материнскую плату.

В некоторых сферах (научные ресурсоемкие вычисления), действительно, конкурировать с RISC системам на базе CISC-процессоров было сложно, зато во всех остальных недорогие и достаточно производительные x86-процессоры остались вне конкуренции. Для создания конкуренции Intel в 1991 году Apple, IBM и Motorola основали альянс AIM Alliance, который занялся созданием дешевого, быстрого и современного RISC-процессора. В 1993 году была представлена спецификация платформы PowerPC, а также первый чип - 32-разрядный PowerPC 601, работавший на частотах 50 и 66 МГц.

Название PowerPC пошло от многочиповой RISC-архитектуры IBM POWER, на базе системы команд которой и был основан первый процессор. Чип рассеивал намного меньше тепла, чем его конкурент в лице Intel Pentium, и работал зачастую быстрее его. Вслед за 601 появились 603/604 модели, затем в 1997 - PowerPC 750 (G3) с L2-кэш и ускоренной системной шиной. В 1999 модельная линейка процессоров PowerPC пополнилась PowerPC 7400 (G4) - «конкурентом» Intel Pentium III, представившим поддержку набора команд для векторных вычислений AltiVec (также известного как VMX - Vector Multimedia eXtension - «мультимедийное расширение» PowerPC).

Однако с появлением и совершенствованием архитектуры Intel NetBurst (в Pentium IV) процессоры компании закрыли единственное слабое место, которое позволяло PowerPC выглядеть более выигрышно: заметно ускорив операции с плавающей точкой, х86- процессоры оказались самыми быстрыми и дешевыми на рынке. PowerPC-чипы же остались основой Apple Macintosh и различных встраиваемых систем (благодаря низкой рассеиваемой мощности) - системы на их базе, даже с учетом более дешевого процессора, все равно получались заметно дороже IBM PC совместимых компьютеров. Кардинальным образом ситуацию не изменил и выход нового процессора от IBM - PowerPC 970 (G5). Он позволил лишь приблизиться к x86 фаворитам в некоторых приложениях.

В настоящее время RISC-CPU широко применяются в проблемно-ориентированных компьютерах повышенной вычислительной мощности; очень часто - в

Это устройство, представляющее собой одну или несколько больших интегральных схем(БИС), выполняющих функции процессора ЭВМ.Классическое вычислительное устройство состоит из арифметического устройства (АУ), устройства управления (УУ), запоминающего устройства (ЗУ) и устройства ввода-вывода (УВВ).

Существуют процессоры различной архитектуры.

CISC (англ. Complex Instruction Set Computing) - концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

· большим числом различных по формату и длине команд;

· введением большого числа различных режимов адресации;

· обладает сложной кодировкой инструкции.

Процессору с архитектурой CISC приходится иметь дело с более сложными инструкциями неодинаковой длины. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, однако обрабатывать несколько таких инструкций параллельно сложнее.

Облегчение отладки программ на ассемблере влечет за собой загромождение узлами микропроцессорного блока. Для повышения быстродействия следует увеличить тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии и, как следствие, более дорогого производства.

Достоинства архитектуры CISC

1. Компактность наборов инструкций уменьшает размер программ и уменьшает количество обращений к памяти.
2. Наборы инструкций включают поддержку конструкций высокоуровневого программирования.

Недостатки архитектуры CISC

1. Нерегулярность потока команд.
2. Высокая стоимость аппаратной части.
3. Сложности с распараллеливанием вычислений.

RISC (Reduced Instruction Set Computing). Процессор с сокращенным набором команд. Система команд имеет упрощенный вид. Все команды одинакового формата с простой кодировкой. Обращение к памяти происходит посредством команд загрузки и записи, остальные команды типа регистр-регистр. Команда, поступающая в CPU, уже разделена по полям и не требует дополнительной дешифрации.

Часть кристалла освобождается для включения дополнительных компонентов. Степень интеграции ниже, чем в предыдущем архитектурном варианте, поэтому при высоком быстродействии допускается более низкая тактовая частота. Команда меньше загромождает ОЗУ, CPU дешевле. Программной совместимостью указанные архитектуры не обладают. Отладка программ на RISC более сложна. Данная технология может быть реализована программно-совместимым с технологией CISC (например, суперскалярная технология).

Поскольку RISC-инструкции просты, для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге снижает стоимость процессора. Но большая часть программного обеспечения сегодня написана и откомпилирована специально для CISC-процессоров фирмы Intel. Для использования архитектуры RISC нынешние программы должны быть перекомпилированы, а иногда и переписаны заново.

Достоинства архитектуры RISC

1.снижение нерегулярности потока команд

2.обогащение пространственным параллелизмом

Недостатки архитектуры RISC

MISC (Multipurpose lnstruction Set Computer). Элементная база состоит из двух частей, которые либо выполнены в отдельных корпусах, либо объединены. Основная часть – RISC CPU, расширяемый подключением второй части – ПЗУ микропрограммного управления. Система приобретает свойства CISC. Основные команды работают на RISC CPU, а команды расширения преобразуются в адрес микропрограммы. RISC CPU выполняет все команды за один такт, а вторая часть эквивалентна CPU со сложным набором команд. Наличие ПЗУ устраняет недостаток RISC, выраженный в том, что при компиляции с языка высокого уровня микрокод генерируется из библиотеки стандартных функций, занимающей много места в ОЗУ. Поскольку микропрограмма уже дешифрована и открыта для программиста, то времени выборки из ОЗУ на дешифрацию не требуется.

представляет ту часть системы, которая видна программисту или разработчику компиляторов. 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. Архитектура первого уровня определяет, какие функции по обработке данных выполняются системой в целом, а какие возлагаются на внешний мир (пользователей, операторов, администраторов баз данных и т.д.). Система взаимодействует с внешним миром через набор интерфейсов: языки (язык оператора, языки программирования и системные программы (программы-утилиты, программы редактирования, сортировки, сохранения и восстановления информации).

Интерфейсы следующих уровней могут разграничивать определенные уровни внутри программного обеспечения. Например, уровень управления логическими ресурсами может включать реализацию таких функций, как управление базой данных, файлами, виртуальной памятью. К уровню управления физическими ресурсами относятся функции управления внешней и оперативной памятью, управления процессами, выполняющимися в системе.

Следующий уровень отражает основную линию разграничения системы, а именно границу между системным программным обеспечением и аппаратурой. Эту идею можно развить и дальше и говорить о распределении функций между отдельными частями физической системы. Например, некоторый интерфейс определяет, какие функции реализуют центральные процессоры, а какие - процессоры ввода/вывода.

Глава 4.2. Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC).

Двумя основными архитектурами набора команд являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой использлвалось с1964 года.

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.

Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (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 Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех

исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета.

Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата.

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.

Следует отметить, что в разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователейконкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах.

В 70-е годы XX века ученые выдвинули революционную по тем временам идею создания микропроцессора, "понимающего" только минимально возможное количество команд.

Замысел RISCпроцессора (Reduced Instruction Set Computer, компьютер с сокращенным набором команд) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное "правило 80/20": в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.

Первый "настоящий" RISC-процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20-50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC-процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами.

По данным независимой компании IDC, в 1992 году архитектура SPARC занимала 56% рынка, далее следовали MIPS - 15% и PA-RISC - 12,2%

Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISCпроцессоров в семействе IA-32. В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память, и добавился целый ряд новых

Основные особенности RISC-процессоров:

1. Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).

2. Большинство команд выполняется за 1 такт.

3. Большое количество регистров общего назначения.

4. Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.

5. Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.

6. Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.

7. Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

RISC-процессоры 3-го поколения

Самыми крупными разработчиками RISC-процессоров считаются Sun Microsystems (архитектура SPARC - Ultra SPARC), IBM (многокристальные процессоры Power, однокристальные PowerPC - PowerPC 620), Digital Equipment (Alpha - Alpha 21164), Mips Technologies (семейство Rxx00 -- R 10000), а также Hewlett-Packard (архитектура PA-RISC - PA-8000).

Все RISC-процессоры третьего поколения:

∙ являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт);

∙ имеют встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой;

∙ имеют многоуровневую кэш-память. Большинство RISC-процессоров кэшируют предварительно дешифрованные команды;

∙ изготавливаются по КМОП-технологии с 4 слоями металлизации.

Для обработки данных применяется алгоритм динамического прогнозирования ветвлений и метод переназначения регистров, что позволяет реализовать внеочередное выполнение команд.

Повышение производительности RISC-процессоров достигается за счет повышения тактовой частоты и усложнения схемы кристалла. Представителями первого направления являются процессоры Alpha фирмы DEC, наиболее сложными остаются процессоры компании Hewlett-Packard. Рассмотрим процессоры этих фирм более подробно.

Структура процессоров Alpha: 21064, 21264

Структура процессора Alpha 21064 представлена на рис.

Рис. Структура процессора Alpha 21064

Основные функциональные блоки процессора Alpha 21064:

∙ I-cache - кэш команд.

∙ IRF - регистровый файл целочисленной арифметики.

∙ F-box - устройство арифметики с плавающей точкой.

∙ E-box - устройство целочисленной арифметики (7 ступеней конвейера).

∙ I-box - командное устройство (управляет кэш команд, выборкой и дешифрацией команд).

∙ A-box - устройство управления загрузкой/сохранением данных. Управляет процессом обмена данными м/у IRF, FRF, кэш данных и внешней памятью.

∙ Write Buffer - буфер обратной записи.

∙ D-cache - КЭШ данных.

∙ BIU - интерфейсный блок, с помощью которого подключаются внешняя кэшпамять, размером 128 Кб-8 Мб.

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264

Процессор Alpha 21264 отличается значительной новизной по сравнению с предшественником 21164. Он обладает кэш-памятью первого уровня большего объема, дополнительными функциональными блоками, более эффективными средствами предсказания ветвлений, новыми инструкциями обработки видеоданных и широкой шиной.

Alpha 21264 читает до четырех инструкций за один такт и может одновременно исполнять до шести инструкций. Самое большое его отличие от модели 21164 - это способность выполнять команды (впервые для Alpha) с изменением их очередности

Эффективность выполнения Out-of-Order определяется количеством инструкций, которыми может манипулировать ЦП в целях определения оптимального порядка выполнения команд. Чем больше инструкций ЦП может для этого использовать, тем лучше, тем дальше он может заглядывать вперед. Процессоры Intel класса Р6 (Pentium Pro, Pentium II, Xeon) могут одновременно обращаться не менее чем с 40 командами. У других процессоров данный показатель значительно больше: PA-8000 фирмы HP оперирует 56 командами, а процессор Alpha справляется с 80 командами.

Как и большинство RISC-процессоров, Alpha содержит набор из 32 целочисленных и 32 регистров с плавающей запятой, все они имеют разрядность 64 бита. Для повышения эффективности внеочередного выполнения команд процессор 21264 дополнительно к обычному набору регистров снабжен еще 48 целочисленными регистрами и 40 регистрами с плавающей запятой.

Каждый регистр может временно хранить значения текущих команд. Если обрабатывается какая-либо инструкция, нет необходимости перегружать результат в целевой регистр - вместо этого ЦП просто переименовывает временный регистр (Register Renaming).

Подобное переименование регистров есть и в других процессорах. Однако в 21264 реализована уникальная "хитрость" - он имеет задублированный набор целочисленных регистров, каждый из 80 целочисленных регистров дублируется еще раз. Таким образом, на чипе в целом - 160 целочисленных регистров. Это одна из причин, почему, несмотря на сложность выполнения Out-of-Order, допустима высокая частота процессора 21264.

Блоки целочисленных операций в обеих группах идентичны не полностью. Одна из них содержит блок умножения, а вторая - специальную логику для обработки движущихся изображений (MPEG). Для этого набор команд Alpha был дополнен пятью новыми командами. Самая интересная из них - PERR - служит для оценки движения, т.е. выполнения задачи, возникающей как при сжатии, так и декомпрессии MPEG. Команда PERR выполняет работу девяти обычных инструкций. Таким образом, процессор 21264 может декодировать видеопоследовательности MPEG-2, а также DVD-аудиоданные AC-3 в режиме реального времени без использования дополнительных периферийных устройств.

В процессоре 21264, в отличие от его предшественников практически полностью реорганизована иерархия кэш-памяти. Он снабжен одним 64-Кбайт кэшем первого уровня (L1) для инструкций и еще одним 64-Кбайт кэшем первого уровня для данных; оба являются двукратно-ассоциативными. Кэш-память второго уровня (L2) была вынесена за пределы чипа - к ней можно обращаться через 128-бит backsideшину.

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264 приведены в табл. .

Таблица 10.1. Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264