Микропроцессоры типа RISC

    ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

    ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

    ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

    Тамбовский  государственный технический университет 
 

    Кафедра «Информационные системы и защита информации» 
 
 
 
 

    РЕФЕРАТ

    по  дисциплине "Архитектура ЭВМ и систем"

    на  тему: «Микропроцессоры типа RISC» 
 
 
 

    Выполнил: студент группы СИС-22:

    Уварова Г.А.

    Проверил: преподаватель

    Дидрих И.В. 
 
 
 
 

    Тамбов 2011

    Оглавление

    Введение

    1 Философия RISC

    2 Характерные особенности RISC-процессоров

    3 Развитие RISC-архитектуры

    Заключение

    Список  использованной литературы 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

      Важнейший компонент любого персонального  компьютера, его «мозг» — это  микропроцессор (CPU, Central Processor Unit — ЦПУ, или центральное процессорное устройство), который управляет работой компьютера и выполняет большую часть обработки информации. Микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, степень интеграции которой определяется размером кристалла и количеством реализованных в нем транзисторов. Иногда интегральные микросхемы называют чипами (англ. chip). Базовыми элементами микропроцессора являются транзисторные переключатели, на основе которых строятся, например, регистры, представляющие собой совокупность устройств, имеющих два устойчивых состояния и предназначенных для хранения информации и быстрого доступа к ней. Количество и разрядность регистров во многом определяют архитектуру микропроцессора.

    К основным группам микропроцессоров относят микропроцессоры типа CISC и типа RISC. В данном реферате рассматривается вторая группа микропроцессоров. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1 Философия RISC

    В середине 1970-х разные исследователи (в частности, из IBM) показали, что  большинство комбинаций команд и  ортогональных методов адресации  не использовались в большинстве  программ, порождаемых компиляторами  того времени. Также было обнаружено, что в некоторых архитектурах с микрокодной реализацией сложные операции зачастую были медленнее последовательности более простых операций, выполняющих те же действия. Это было вызвано, в частности, тем, что многие архитектуры разрабатывались в спешке и хорошо оптимизировался микрокод только тех команд, которые использовались чаще.

    Поскольку многие реальные программы тратят большинство  своего времени на выполнение простых  операций, многие исследователи решили сфокусироваться на том, чтобы сделать  эти операции максимально быстрыми. Тактовая частота процессора ограничена временем, которое процессор тратит на выполнение наиболее медленных шагов  в процессе обработки любой команды. Уменьшение длительности таких шагов даёт общее повышение частоты, а также зачастую ускоряет выполнение и других команд за счёт более эффективной конвейеризации. Фокусирование на простых командах и ведёт к архитектуре RISC, цель которой — сделать команды настолько простыми, чтобы они легко конвейеризировались и тратили не более одного такта на каждом шаге конвейера на высоких частотах.

    Позднее было отмечено, что наиболее значимая характеристика RISC в разделении команд для обработки данных и обращения  к памяти — обращение к памяти идёт только через команды load и store, а все прочие команды ограничены внутренними регистрами. Это упростило архитектуру процессоров: позволило командам иметь фиксированную длину, упростило конвейеры и изолировало логику, имеющую дело с задержками при доступе к памяти, только в двух командах. В результате RISC-архитектуры стали называть также архитектурами load/store. 
 
 
 
 

    2 Характерные особенности RISC-процессоров

    Микропроцессоры с архитектурой RISC (англ. Restricted (reduced) instruction set computer — компьютер с упрощённым набором команд) 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 ориентированы 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 объем программ, на (30 %).

    В RISC-процессорах отсутствуют микропрограммы 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-битного в 32-битный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти. 

    Дейв  Паттерсон и Карло Секуин сформулировали 4 основных принципа RISC:

1. Любая операция должна выполняться за один такт, вне зависимости от ее типа.
2. Система команд должна содержать минимальное количество наиболее часто используемых простейших инструкций одинаковой длины.
3. 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 выполняются только с помощью команд загрузки/записи).
4. Состав системы команд должен быть «удобен» для компиляции операторов языков высокого уровня.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3 Развитие RISC-архитектуры

    Первая  система, которая может быть названа RISC-системой, — суперкомпьютер CDC 6600, который был создан в 1964 году, за десять лет до появления соответствующего термина. CDC 6600 имел RISC-архитектуру всего  с двумя режимами адресации («регистр+регистр» и «регистр+непосредственное значение») и 74 кодами команд (тогда как Intel 8086 имел 400 кодов команд). В CDC 6600 было 11 конвейерных устройств арифметической и логической обработки, а также пять устройств загрузки и два устройства хранения. Память была многоблочной, поэтому все устройства загрузки-хранения могли работать одновременно. Базовая тактовая частота/частота выдачи команд была в 10 раз выше, чем время доступа к памяти. Джим Торнтон и Сеймур Крэй, разработчики CDC 6600, создали в нём мощный процессор, позволявший быстро обрабатывать большие объемы цифровых данных. Главный процессор поддерживался десятью простыми периферийными процессорами, выполнявшими операции ввода-вывода и другие функции ОС. Еще одна ранняя RISC-машина — миникомпьютер Data General Nova, разработанный в 1968 году.

    Первая  попытка создать RISC-процессор на чипе была предпринята в IBM в 1975. 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 чипа под именем ROMP в 1981 году. ROMP расшифровывается как Research OPD (Office Product Division) Micro Processor, то есть «Исследовательский микропроцессор», разработанный в Департаменте офисных разработок. Как следует из названия, процессор был разработан для «мини»-задач, и когда в 1986 году IBM выпустила на его базе компьютер IBM RT-PC, он работал не слишком хорошо. Однако за выпуском 801-ого процессора последовало несколько исследовательских проектов, в результате одного из которых появилась система POWER.

    Однако  наиболее известные RISC-системы были разработаны в рамках университетских  исследовательских программ, финансировавшихся  программой DARPA VLSI. Программа VLSI, практически  неизвестная даже сегодня, на самом  деле поспособствовала большому количеству открытий в области архитектуры чипов, технологий производства и даже компьютерной графики.

    Проект RISC в Университете Беркли был начат  в 1980 году под руководством Дэвида Паттерсона и Карло Секвина. Исследования базировались 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 произвел на свет процессор RISC-I в 1982 году. В нем было всего 44 420 транзисторов (для сравнения: в наиболее современных CISC-процессорах 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.

    Практически в то же время, в 1981 году, Джон Хеннесси начал аналогичный проект, названный «MIPS-архитектура» в Стэндфордском университете. Создатель MIPS практически полностью сфокусировался на конвейерной обработке, попытавшись «выжать всё» из этой технологии. Конвейерная обработка использовалась и в других продуктах, некоторые идеи, реализованные в MIPS, позволили разработанному чипу 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 негативный побочный эффект в виде удаления из набора инструкций таких полезных операций, как умножение или деление.

    В первые годы попытки развития RISC-архитектуры были хорошо известны, однако оставались в рамках породивших их университетских исследовательских лабораторий. Многие в компьютерной индустрии считали, что преимущества RISC-процессоров 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 продукты.

    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 емкостей. 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 быстро 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 486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. 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 подавляющее большинство существующих ныне процессоров основаны на архитектуре RISC.