Автор работы: Пользователь скрыл имя, 05 Июня 2016 в 16:14, доклад
Компьютеры с сокращенным набором команд (КСНК или RISC – Reduced Instruction Set Computer) как направление развития архитектуры ЭВМ воплощает подход, связанный с возвращением к принципам аппаратного управления выполнением команд с целью повышения производительности.
Процессоры:
• Буферный процессор. Промежуточная обработка данных между ЦП и устройствами ввода-вывода
• Препроцессор. Программа, выполняющая предварительную обработку данных для другой программы;
• CISC Технология и архитектура построения микропроцессоров фирмы Intel;
Компьютеры с сокращенным набором команд (КСНК или RISC – Reduced Instruction Set Computer) как направление развития архитектуры ЭВМ воплощает подход, связанный с возвращением к принципам аппаратного управления выполнением команд с целью повышения производительности.
Процессоры:
• Буферный процессор. Промежуточная обработка данных между ЦП и устройствами ввода-вывода
• Препроцессор. Программа, выполняющая предварительную обработку данных для другой программы;
• CISC Технология и архитектура построения микропроцессоров фирмы Intel;
• RISC Принцип построения RISC- процессоров
• Процессор-клон. Процессор, выпускаемый фирмой, не являющейся его основным разработчиком и производителем, в том числе по лицензии или без нее. Наиболее известными фирмами-производителями клонов являются: AMD, Cyrix, IBM Microelectronics, GS-Thomson, Texas Instruments, NexGen и другие.
Система команд первого и частично второго поколений машин содержали не более пятидесяти команд. Основная проблема, по которой набор команд не расширялся – это цена аппаратуры (и управляющая, и обрабатывающая части процессора реализовывались аппаратно), а также необходимость программирования в кодах (программист не мог запомнить большое количество команд).
С середины 60-х до 80-х годов доминирует микропрограммное управление выполнением команд, воплощающее «эру программистов», основным лозунгом которой было: «Больше команд хороших и разных!». Это вызвало рост набора команд компьютеров за счет увеличения их сложности и увеличения числа форматов от 50 до 300 команд. Компьютеры с большим набором команд и разнообразием их форматов получили название CISC компьютеров (Complex Instruction Set Computer – машины со сложным набором команд).
В 80-х годах было выявлено, что при выполнении
большинства программ наиболее активно
используется около 30% сравнительно простых
команд арифметики и управления. Постепенно
стало формироваться направление развития
архитектуры компьютеров, требующее чтобы
система команд процессора содержала
минимальный набор наиболее часто используемых
и наиболее простых команд (возврат к примерно
50 командам). Это направление получило
название - КСНК (компьютеры с сокращенным
набором команд) или RISC (Reduced Instruction Set Computer)
– и имеет лозунг: «Меньше команд, выше
скорость выполнения!»
На данный момент фирмы Intel и Hewlett-Packard ведут разработку следующего поколения микропроцессоров, которые будут построены по гибридной технологии, объединяющей признаки CISC и RISC архитектуры.
Рабочие станции и серверы, созданные на базе концепции RISC, завоевали лидирующие позиции благодаря своим исключительным характеристикам и уникальным свойствам операционных систем типа UNIX, используемых на этих платформах.
В самом начале 80-х годов почти одновременно завершились теоретические исследования в области RISC-архитектуры. Профессора Давид Паттерсон и Карло Секуин ввели в употребление термин RISC и сформулировали четыре основных принципа RISC-архитектуры:
1. каждая команда выполняется за один машинный цикл, длительность которого должна быть максимально короткой;
2. все команды должны иметь одинаковую длину и использовать минимум адресных форматов, что резко упрощает логику центрального управления процессором;
3. обращение к памяти происходит только при выполнении операций записи и чтения, вся обработка данных осуществляется исключительно в регистровой структуре процессора;
4. система команд должна обеспечивать поддержку языка высокого уровня (подбор системы команд, наиболее эффективной для различных языков программирования.)
Возросшие возможности технологии позволили смягчить ограничение состава команд: вместо полусотни инструкций, использовавшихся в архитектурах первого поколения, современные RISC-процессоры реализуют около 150 инструкций. Основной закон RISC был и остаётся незыблемым: обработка данных должна вестись только в рамках регистровой структуры и только в формате команд «регистр – регистр – регистр».
В RISC-микропроцессорах значительную часть площади кристалла занимает тракт обработки данных, а секции управления и дешифратору отводится небольшая его часть.
Аппаратная поддержка выбранных операций сокращает время их выполнения, но критерием такой реализации является повышение общей производительности компьютера в целом и его стоимость. Поэтому при разработке архитектуры необходимо проанализировать результаты компромиссов между различными подходами, различными наборами операций и на их основе выбрать оптимальное решение.
Развитие RISC-архитектуры в значительной степени определяется успехами в области проектирования оптимизирующих компиляторов. Современная технология компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большого регистрового файла, конвейерной организации и высокой скорости выполнения команд. Есть и другие свойства процесса оптимизации в технологии компиляции, обычно используемые в RISC-процессорах: реализация задержанных переходов и суперскалярная обработка, позволяющие в один и тот же момент времени посылать на выполнение несколько команд.
Рис. 1. Сравнение CISC и RISC.
Главные отличия архитектуры RISC от CISC:
RISC – набор команд в процессорах построенных на данной архитектуре упрощенный. Это позволяет поднять частоту, снизить стоимость производства и оптимально распараллеливать задачи.
В CISC архитектуре длина команды не ограничена, одна инструкция может содержать несколько арифметических действий. Поэтому требуются суперскалярные вычисления и использование в процессоре конвейера. 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.
Основные достоинства RISC- процессоров:
1. Повышение производительности обработки программ вычислительных задач.
2. Благодаря использованию простых команд и минимума их форматов сокращается время разработки процессора.
3. Улучшение технологичности процессоров благодаря большей свободе в размещении их элементов на кристалле интегральной схемы и повышение вероятности выхода годных схем.
Недостатки RISC- процессоров:
1. Нарушение основных принципов программирования:
1.1. Минимум длины исполняемого кода программы;
1.2. Снижение семантического разрыва между исходным описанием и машинным кодом;
2. Сложность построения компилятора, поскольку программа с языка высокого уровня должна транслироваться в микрокод с оптимизацией использования регистров;
3. Высокие требования к быстродействию памяти.
Следует учитывать, что сейчас производительность вычислительной системы в большой степени определяется не процессором, скоростью передачи данных по шинам и протоколами сетевого взаимодействия. Важнее требование совместимости с созданным ранее программным обеспечением, которому многие RISC-процессоры не удовлетворяют, что сдерживает их распространение.
Основной проблемой по реализации RISC архитектуры являлась недостаточная поддержка со стороны софта и программного обеспечения. Но с появлением поддержки UNIX\Linux подобных систем, эта проблема практически решилась.
Самыми известными и успешными представителями архитектуры RISC являются ARM, разработанные ARM Holdings. Процессоры с данной архитектурой, применяемые в абсолютном большинстве мобильных устройств и даже серверных системах, популярны благодаря очень низкому энергопотреблению и тепловыделению.
Из наиболее известных RISC архитектур можно также выделить разработки компании IBM (Power PC, Power), компанией Sun Microsystems (SPARC- архитектура) и компанией Atmel (AVR– архитектура).
На данный момент, RISC – архитектура является
одной самых распространённых в мире,
имея более 40% мирового рынка. Данный результат
в основном благодаря ARM архитектуре и
то, что в современных мобильных устройствах
используются именно процессоры ARM
(в абсолютном большинстве).
Архитектура RISC применяется:
• Смартфоны;
• Планшеты;
• Игровые приставки (кроме последней Sony Play Station)
• Встраиваемые системы средней и высокой производительности:
Сетевые маршрутизаторы и точки доступа;
Телевизоры;
• Суперкомпьютеры.
CISC:
• процессоры Windows, IMB.
RISC процессоры выигрывают в плане энергоэффективности (потребляют электричества в 5 раз меньше), сейчас серверное оборудование (смартфоны, планшеты, ПК) потребляет 10% от электричества, вырабатываемого во всем мире. На 2012 год наиболее совершенный RISC-процессор – Power7+.
RISC системы более устойчивы за счёт в 2/2,5 раза большего функционала – сбои в процессоре, в оперативной памяти, в кэше сбоя бизнес-приложения не происходит, что экономически выгодно. Простой инфраструктуры предприятия стоит немало. Например, МТС 8 лет назад не работал в течение часа, за это время компания потеряла десятки млн. долларов. Создание виртуальной машины в RISC на уровне микрокода, аппаратное деление сервера на составные части, на уровне железа RISC системы в 2 раза производительней – одно ядро RISC дает производительность двух ядер CISC. Стоимость электричества для двух ядер в 2 раза больше. Стоимость аппаратурной составляющей дороже, чем в случае СISC, но программное обеспечение и дальнейшая поддержка RISC систем, учитывая использование стандартной редакции, дешевле, чем CISC.