Процессоры CISC и RISC

Характерные для CISC способы решения  проблемы семантического разрыва, вместе с тем ведут к усложнению архитектуры ВМ, главным образом устройства управления, что, в свою очередь, негативно сказывается на производительности в целом. Кроме того, в CISC очень сложно организовать эффективный конвейер команд, который, как уже отмечалось, является одним из наиболее перспективных путей повышения производительности ВМ. Все это заставило более внимательно проанализировать программы, получаемые после компиляции с ЯВУ. Был предпринят комплекс исследований [128,158,177,178,209], в результате которых обнаружились интересные закономерности:

- Реализация сложных команд, эквивалентных  операторам ЯВУ, требует увеличения  емкости управляющей памяти в  микропрограммном УУ. Микропрограм-как  их доля в общем объеме программы  зачастую не превышает 0,2%.

- В откомпилированной программе  операторы ЯВУ реализуются в  виде процедур (подпрограмм), поэтому  на операции вызова процедуры  и возврата из нее приходится  от 15 до 45% вычислительной нагрузки.

- При вызове процедуры вызывающая  программа передает этой процедуре некоторое количество аргументов. Согласно [209], в 98% случаев число передаваемых аргументов не превышает шести. Примерно такое же положение сложилось и с параметрами, которые процедура возвращает вызывающей программе. Более 80% переменных, используемых программой [177,178], являются локальными, то есть создаются при входе в процедуру и уничтожаются при выходе из нее. Количество локальных переменных, создаваемых отдельной процедурой, в 92% случаев не превышает шести [209].

- Почти половину операций в ходе вычислений составляет операция присваива

ния, сводящаяся к пересылке данных между регистрами, ячейками памяти или регистрами и памятью.

Чтобы машинный код CISC-компьютеров  из-за сложных инструкций не разрастался  до огромного размера, машинные инструкции в большинстве этих архитектур имели неоднородную структуру (разное расположение и размеры кода операции и ее операндов) и сильно отличающуюся длину (в x86, например, длина инструкций варьируется от 1 до 15 байт). Еще одной проблемой стало то, что при сохранении приемлемой сложности процессора многие инструкции оказалось принципиально невозможно выполнить "чисто аппаратно", и поздние CISC-процессоры были вынуждены обзавестись специальными блоками, которые "на лету" заменяли некоторые сложные команды на последовательности более простых. В результате все CISC-процессоры оказались весьма трудоемкими в проектировании и изготовлении. Но что самое печальное, к моменту расцвета CISC-архитектур стало ясно, что все эти конструкции изобретались в общем-то зря - исследования программного обеспечения того времени, проведенные IBM, наглядно показали, что даже программисты, пишущие на ассемблере, все эти "сверхвозможности" почти никогда не использовали, а компиляторы языков высокого уровня - и не пытались использовать.

 

К началу восьмидесятых годов классические CISC полностью исчерпали себя. Расширять  набор инструкций в рамках этого  подхода дальше не имело смысла, наоборот - технологи столкнулись  с тем, что из-за высокой сложности CISC-процессоров оказалось трудно наращивать их тактовую частоту, а из-за "тормознутости" оперативной памяти тех времен зашитые в память процессора расшифровки сложных инструкций зачастую работают медленнее, чем точно такие же цепочки команд, встречающиеся в основной программе. Короче говоря, стало очевидным, что CISC-процессоры нужно упрощать - и на свет появился RISC, Reduced Instruction Set Computer.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. RISC-архитектура

 

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

Замысел RISC- процессора (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" CISC-процессоров  в семействе IA-32. В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память, и добавился целый ряд новых команд.

Основные особенности RISC-процессоров:

• Сокращенный набор команд (от 80 до 150 команд).
• Большинство команд выполняется за 1 такт.
• Большое количество регистров общего назначения.
• Наличие жестких многоступенчатых конвейеров.
• Все команды имеют простой формат, и используются немногие способы адресации.
• Наличие вместительной раздельной кэш-памяти.
• 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.

Уменьшение набора машинных команд в RISC-архитектуре позволило разместить на кристалле вычислительного ядра большое количество регистров общего назначения . Увеличение количества регистров общего назначения позволило минимизировать обращения к медленной оперативной памяти, оставив для работы с RAM только операции чтения данных из оперативной памяти в регистр и запись данных из регистра в оперативную память, все остальные машинные команды используют в качестве операндов регистры общего назначения.

Основными преимуществами RISC-архитектуры  является наличие следующих свойств:

• Большое число регистров общего назначения.
• Универсальный формат всех микроопераций.
• Равное время выполнения всех машинных команд.
• Практически все операции пересылки данных осуществляются по маршруту регистр – регистр.
• Равное время выполнения всех машинных команд позволяют обрабатывать поток командных инструкций по конвейерному принципу, т.е. выполняется синхронизация аппаратных частей с учетом последовательной передачи управления от одного аппаратного блока к другому.

Современные RISC-процессоры характеризуются  следующим:

- упрощенным набором команд;

- используются команды фиксированной длины и фиксированного формата,

 простые способы адресации,  что позволяет упростить логику  декодирования команд;

- большинство команд выполняются  за один цикл процессора;

- логика выполнения команд с  целью повышения производительности  ориентирована на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию, отсутствуют макрокоманды, усложняющие структуру процессора и уменьшающие скорость его работы;

- взаимодействие с оперативной  памятью ограничивается операциями

 пересылки данных;

- для обработки, как правило,  используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки;

- создан конвейер команд, позволяющий  обрабатывать несколько из них  одновременно;

- наличие большого количества регистров;

- используется высокоскоростная  память.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе рассмотрены  микроконтроллеры с RISC и CISC архитектурой, особенности  архитектур, их основные отличия.

На сегодняшний день существует более 200 модификаций микроконтроллеров, совместимых с i8051, выпускаемых двумя десятками компаний, и большое количество микроконтроллеров других типов. Популярностью у разработчиков пользуются 8-битные микроконтроллеры PIC фирмы Microchip Technology и AVR фирмы Atmel, шестнадцатибитные MSP430 фирмы TI, а также ARM, архитектуру которых разрабатывает фирма ARM и продаёт лицензии другим фирмам для их производства, процессоров — микроконтроллеры.

При проектировании микроконтроллеров  приходится соблюдать баланс между размерами и стоимостью с одной стороны и гибкостью и производительностью с другой. Для разных приложений оптимальное соотношение этих и других параметров может различаться очень сильно. Поэтому существует огромное количество типов микроконтроллеров, отличающихся архитектурой процессорного модуля, размером и типом встроенной памяти, набором периферийных устройств, типом корпуса и т. д.

 

 

Список использованной литературы:

 

1. Каган Б.М. «Электронно-вычислительные машины и системы» Москва «Радио и связь»1991г.

2.  Новиков Ю.В. , Скоробогатов П.К. «Основы микропроцессорной техники». 2006

3. Смирнов А.Д.  «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990 г.

4. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. «Организация ЭВМ и систем». Спб.: Питер 2006.