Файл: Процессор персонального компьютера. Назначение функции, классификация процессора.pdf

• Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида Read-Modify-Write («прочитать-изменить-записать») отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. архитектура load-and-store).

• Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

• Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-разрядное слово. Так, например, система команд DEC Alphaсодержала только операции над 64-разрядными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-разрядными словами.

• Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALcode (Privileged Architecture Library), помещённом в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-разрядного в 32-разрядный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

Первая попытка создать процессор с архитектурой «RISC» на микросхеме была предпринята «IBM» в 1975 году. Эта работа привела к созданию семейства процессоров «IBM 801», которые широко использовались в различных устройствах «IBM». 801-й, в конце концов, был выпущен в форме микросхемы под именем «ROMP» в 1981 году. «ROMP» расшифровывается как «Research OPD (Office Product Division) Micro Processor», то есть «исследовательский микропроцессор», разработанный в подразделении офисных разработок. Как следует из названия, процессор был разработан для «мини»-задач, и когда в 1986 году «IBM» выпустила на его основе компьютер «IBM RT-PC», он работал не слишком хорошо. Однако за выпуском 801-го процессора последовало несколько исследовательских проектов, в результате одного из которых появилась система «POWER».

Однако наиболее известные системы «RISC» были разработаны в рамках университетских исследовательских программ, финансировавшихся программой «DARPA VLSI».

RISC в Беркли

Проект «RISC» в Университете Беркли был начат в 1980 году под руководством Дэвида Паттерсона и Карло Секвина. Исследования основывались на использовании конвейерной обработки и агрессивного использования техники регистрового окна. В обычном процессоре имеется небольшое количество регистров, и программа может использовать любой регистр в любое время. В процессоре, использующем технологии регистрового окна, очень большое количество регистров (например, 128), но программы могут использовать ограниченное количество (например, только 8 в каждый момент времени).

Программа, ограниченная лишь восемью регистрами для каждой процедуры, может выполнять очень быстрые вызовы процедур: «окно» просто сдвигается к 8-регистровому блоку нужной процедуры, а при возврате из процедуры сдвигается обратно, к регистрам вызвавшей процедуры. (В обычном процессоре большинство процедур при вызове вынуждены сохранять значения некоторых регистров в стеке для того, чтобы пользоваться этими регистрами при исполнении процедуры. При возврате из процедуры значения регистров восстанавливаются из стека).

Проект «RISC» произвёл на свет процессор «RISC-I» в 1982 году. В нём было 44 420 транзисторов (для сравнения: в процессорах «CISC» того времени их было около 100 тыс.). «RISC-I» имел всего 32 инструкции, но превосходил по скорости работы любой одночиповый процессор того времени. Через год, в 1983 году, был выпущен «RISC-II», который состоял из 40 760 транзисторов, использовал 39 инструкций и работал в три раза быстрее «RISC-I». Проект RISC-Беркли оказал влияние на RISC-процессоры семейства SPARC и DEC Alpha.

RISC в Стэнфорде

Практически в то же время, в 1981 году, Джон Хеннесси начал аналогичный проект, названный «архитектура „MIPS“» в Стэнфордском университете. Создатель «MIPS» практически полностью сосредоточился на конвейерной обработке, попытавшись «выжать всё» из этой технологии. Конвейерная обработка использовалась и в других продуктах, некоторые идеи, реализованные в MIPS, позволили разработанному процессору работать значительно быстрее аналогов. Наиболее важным было требование выполнения любой из инструкций процессора за один такт. Это требование позволило конвейеру работать на гораздо больших скоростях передачи данных и привело к значительному ускорению работы процессора. С другой стороны, исполнение этого требования имело отрицательный побочный эффект в виде удаления из набора инструкций таких полезных операций, как умножение или деление.

В первые годы попытки развития архитектуры «RISC» были хорошо известны, однако оставались в рамках породивших их университетских исследовательских лабораторий. Многие в компьютерной отрасли считали, что преимущества процессоров «RISC» не проявятся при использовании в реальных продуктах из-за низкой эффективности использования памяти в составных инструкциях. Однако с 1986 года исследовательские проекты «RISC» начали выпускать первые работающие изделия. RISC-процессор из Стэнфорда был реализован в процессорах семейства Rxxxx компании MIPS Technologies.

Как оказалось в начале 1990-х годов, RISC-архитектуры позволяют получить большую производительность, чем CISC, за счёт использования суперскалярного и VLIW-подхода, а также за счёт возможности серьёзного повышения тактовой частоты и упрощения кристалла с высвобождением площади под кэш, достигающий огромных ёмкостей. Также RISC-архитектуры позволили сильно снизить энергопотребление процессора за счёт уменьшения числа транзисторов.

Первое время RISC-архитектуры с трудом принимались рынком из-за отсутствия программного обеспечения для них. Эта проблема была решена переносом UNIX-подобных операционных систем (SunOS) на RISC-архитектуры.

В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro (1995 г.), являются CISC-процессорами с RISC-ядром[10]. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции x86-процессоров в более простой набор внутренних инструкций RISC.

После того, как процессоры архитектуры x86 были переведены на суперскалярную RISC-архитектуру, можно сказать, что большинство существующих ныне процессоров основано на архитектуре RISC.

2.6 MISC.

Увеличение разрядности процессоров привело к идее укладки нескольких команд в одно большое слово (связку, bound). Это позволило использовать возросшую производительность компьютера и его возможность обрабатывать одновременно несколько потоков данных. Кроме этого, MISC использует стековую модель вычислительного устройства и основные команды работы со стеком языка Forth.

Процессоры с MISC, как и процессоры RISC, характеризуются небольшим числом чаще всего встречающихся команд. Вместе с этим принцип «очень длинных командных слов» (VLIW) обеспечивает выполнение группы непротиворечивых команд за один цикл работы процессора. Порядок выполнения команд распределяется таким образом, чтобы в максимальной степени загрузить маршруты, по которым проходят потоки данных. Таким образом архитектура MISC объединила вместе суперскалярную и VLIW-концепции. Компоненты процессора просты и работают на высоких частотах.

2.7 VLIW.

(англ. very long instruction word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно. Фактически это «видимое программисту» микропрограммное управление, когда машинный код представляет собой лишь немного свёрнутый микрокод для непосредственного управления аппаратурой.

В суперскалярных процессорах также есть несколько вычислительных модулей, но задача распределения работы между ними решается аппаратно. Это сильно усложняет устройство процессора, и может быть чревато ошибками. В процессорах VLIW задача распределения решается во время компиляции и в инструкциях явно указано, какое вычислительное устройство какую команду должно выполнять.

VLIW можно считать логическим продолжением идеологии RISC, расширяющей её на архитектуры с несколькими вычислительными модулями. Так же, как в RISC, в инструкции явно указывается, что именно должен делать каждый модуль процессора. Из-за этого длина инструкции может достигать 128 или даже 256 бит.

Рассмотрим работу модельного VLIW-процессора с двумя арифметическо-логическими устройствами (АЛУ). Пусть нам надо сложить четыре числа, находящиеся в регистрах R1, R2, R3 и R4. Тогда псевдокод может выглядеть так:

R5=R1+R2, R6=R3+R4 ; каждое АЛУ складывает свою пару чисел

R0=R5+R6, NOP ; первое АЛУ находит сумму, второе простаивает

Подход VLIW сильно упрощает архитектуру процессора, перекладывая задачу распределения вычислительных устройств на компилятор. Поскольку отсутствуют большие и сложные узлы, сильно снижается энергопотребление.

В то же время код для VLIW обладает невысокой плотностью. Из-за большого количества пустых инструкций для простаивающих устройств программы для VLIW-процессоров могут быть гораздо длиннее, чем аналогичные программы для традиционных архитектур.

Архитектура VLIW выглядит довольно экзотической и непривычной для программиста. Из-за сложных внутренних зависимостей кода программирование вручную, на уровне машинных кодов для VLIW-архитектур, является достаточно сложным. Приходится полагаться на оптимизацию компилятора.

Первые VLIW-процессоры были разработаны в конце 1980-х компаниями Cydrome (1984−1988), MultiFlow (1984—1990)[3], Culler.

В чистом виде архитектуру VLIW имеют процессоры TriMedia фирмы Philips и семейство DSP C6000 фирмы Texas Instruments.

Микропроцессор Transmeta Crusoe содержит слой двоичной совместимости с архитектурой x86, который компилирует инструкции во внутренний формат процессора (code morphing). Ядро Crusoe является VLIW-процессором.[5]

Микропроцессор Intel Itanium имеет 64-битную систему команд EPIC-процессора с явным параллелизмом, которая является одним из вариантов VLIW.

Многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус-3» и микропроцессоры серии «Эльбрус» («Эльбрус 2000», «Эльбрус S») являются VLIW-процессорами.

Процессоры, выпускаемые фирмой Tilera, также имеют VLIW-архитектуру.

VLIW также получила хорошее распространение на рынке GPU, так, видеопроцессоры AMD/ATI Radeon начиная с R600 и до Northern Islands включительно имеют VLIW-архитектуру.[8][9] Начиная с Southern Islands (первый квартал 2012) компания AMD/ATI отошла от подхода VLIW[10]

Современные системы на кристалле Qualcomm Snapdragon фирмы Qualcomm, предназначенные для использования в качестве центрального процессора телефонов и планшетов, содержат сопроцессоры с VLIW-архитектурой Hexagon (QDSP6). На нём могут выполняться алгоритмы обработки звука и мультимедиа, а также часть цифровой обработки беспроводных сигналов. Ежетактно могут запускаться на исполнение наборы из 4 инструкций; поддерживается аппаратная многопоточность (временное мультиплексирование, в частности, в некоторых версиях архитектуры — револьверного типа).