Главная › Услуги › История рабочих станций на risc процессорах. Сравнительный анализ CISC и RISC архитектур. Пусть процессор вычисляет значение выражения

История рабочих станций на risc процессорах. Сравнительный анализ CISC и RISC архитектур. Пусть процессор вычисляет значение выражения

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

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

Недостатки архитектуры CISC

Нерегулярность потока команд.
Высокая стоимость аппаратной части.
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




Тактовая частота, МГц
	Емкость:8(I)+8(D)	Емкость: 64(I)+64(D)

Уровень архитектуры команд включает набор машинных команд, которые выполняются микропрограммой-интерпретатором или аппаратным обеспечением.

– Complete Instruction Set Computer (CISC-архитектура, компьютер на микропроцессоре с полным набором команд)

– Reduced Instruction Set Computer (RISC-архитектура, компьютер с сокращенным набором команд)

	CISC	RISC
Основоположник, модель	IBM, IBM/360	CDC6600 (Крэй)
Лидер, сегодня	x86	Alpha, PowerPC, SPARC
Рынок	Персональные ЭВМ (благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого - в начале 90-х годов - составила несколько миллиардов долларов США)	Высокопроизводительные компьютеры (стоимость ПО не настолько существенна)
Реализация	Микропрограммная (интерпретация)	Аппаратная
Число регистров общего назначения	небольшое	большое
Формат команд	большое количество форматов команд различной разрядности	команды фиксированной длины и фиксированного формата
Адресация	большое количество методов адресации, преобладание двухадресного формата команд	простые методы адресации, трехадресный формат команд

Основоположник, модель

Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе.

Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры - RISC, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества.

Лидер, сегодня

Процессоры Intel, начиная с 486-го, содержат ядро RISC, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) команды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретируются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быстро, а более сложные и редкие - медленно. Хотя при таком «гибридном» подходе работа происходит не так быстро, как у RISC, данная архитектура имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.

Первая модель процессора Intel, которая вплотную приблизилась к архитектуре RISC – PentiumPRO (Precision RISC Organization - Полноценная RISC-архитектура).

Реализация

Устранение уровня интерпретации обеспечивает высокую скорость выполнения большинства команд. В компьютерах типа CISC более сложные команды могут разбиваться на несколько частей, которые затем выполняются как последовательность микрокоманд. Эта дополнительная операция снижает скорость работы машины, но она может быть применима для редко встречающихся команд.

Число регистров

Большое число регистров позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные.

Формат команд

Команды должны легко декодироваться. Предел количества вызываемых команд в секунду зависит от процесса декодирования отдельных команд. Декодирование команд осуществляется для того, чтобы определить, какие ресурсы им необходимы и какие действия нужно выполнить. Полезны любые средства, которые способствуют упрощению этого процесса. Например, используются регулярные команды с фиксированной длиной и с небольшим количеством полей. Чем меньше разных форматов команд, тем лучше.

Адресация

Простые методы адресации позволяют резко упростить декодирование команд. Организация регистровой структуры – основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая реализация RISC-архитектуры использует трехместные операции обработки, в которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию – R1:= R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата «регистр – память» архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC-операции типа «регистр – регистр» становятся очень мощным средством повышения производительности процессора.

Реферат по дисциплине “Организация ЭВМ и систем”

Тема: «Процессоры CISCи RISC».

Введение………………………………………………………….3

1.CISC и RISC архитектура процессора……………………..4

2. CISC или RISC?........................................................................6

3. CISC-архитектура……………………………………………………...9

4. RISC-архитектура……………………………………………………..11

Заключение……………………………………………………………….14

Введение

Так уж исторически сложилось, что поначалу совершенствование процессоров было направлено на то, чтобы сконструировать по возможности более функциональный компьютер, который позволил бы выполнять как можно больше разных инструкций. Во-первых, так было удобнее для программистов (компиляторы языков высокого уровня еще только начинали развиваться, и все по-настоящему важные программы писались на ассемблере), а во-вторых, использование сложных инструкций зачастую позволяло сильно сократить размеры написанной на ассемблере программы. А где меньше инструкций – меньше и затраченное на исполнение программы время.

Надо признать, что достигнутые на этом пути успехи действительно впечатляли - в последних версиях ЭВМ выразительность ассемблерного листинга зачастую не уступала выразительности программы, написанной на языке высокого уровня. Одной-единственной машинной инструкцией можно было сказать практически все, что угодно. К примеру, такие машины, как DEC VAX, аппаратно поддерживали инструкции "добавить элемент в очередь", "удалить элемент из очереди" и даже "провести интерполяцию полиномом" (!); а знаменитое семейство процессоров Motorola 68k почти для всех инструкций поддерживало до двенадцати (!) режимов адресации памяти, вплоть до взятия в качестве аргумента инструкции "данных, записанных по адресу, записанному вон в том регистре, со смещением, записанным вот в этом регистре". Отсюда и общее название соответствующих архитектур: CISC - Complex Instruction Set Computers ("компьютеры с набором инструкций на все случаи жизни").

^ CISC и RISC архитектура процессора

Итак, рассмотрим и дадим краткое определение рассматриваемым процессорам:

Процессоры с CISC-архитектурой, реализующие так называемую полную систему команд (Complicated Instruction Set Computer);

Процессоры с RISC-архитектурой, реализующие сокращенную систему команд (Reduced Instruction Set Computer).

CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации, давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В применении к 8-разрядным МК процессор с CISC-архитектурой может иметь однобайтовый, двухбайтовый и трехбайтовый (редко четырехбайтовый) формат команд. Время выполнения команды может составлять от 1 до 12 циклов. К МК с CISC-архитектурой относятся МК фирмы Intel с ядром MCS-51, которые поддерживаются в настоящее время целым рядом производителей, МК семейств НС05, НС08 и НС11 фирмы Motorola и ряд других.

В процессорах с RISC-архитектурой набор исполняемых команд сокращен до минимума. Для реализации более сложных операций приходится комбинировать команды. При этом все команды имеют формат фиксированной длины (например, 12, 14 или 16 бит), выборка команды из памяти и ее исполнение осуществляется за один цикл (такт) синхронизации. Система команд RISC-процессора предполагает возможность равноправного использования всех регистров процессора. Это обеспечивает дополнительную гибкость при выполнении ряда операций. К МК с RISC-процессором относятся МК AVR фирмы Atmel, МК PIC16 и PIC17 фирмы Microchip и другие.

На первый взгляд, МК с RISC-процессором должны иметь более высокую производительность по сравнению с CISC МК при одной и той же тактовой частоте внутренней магистрали. Однако на практике вопрос о производительности более сложен и неоднозначен.

С точки зрения организации процессов выборки и исполнения команды в современных 8-разрядных МК применяется одна из двух уже упоминавшихся архитектур МПС: фон-неймановская (принстонская) или гарвардская.

Основное преимущество архитектуры Фон-Неймана – упрощение устройства МПС, так как реализуется обращение только к одной общей памяти. Кроме того, использование единой области памяти позволяло оперативно перераспределять ресурсы между областями программ и данных, что существенно повышало гибкость МПС с точки зрения разработчика программного обеспечения. Размещение стека в общей памяти облегчало доступ к его содержимому. Неслучайно поэтому фон-неймановская архитектура стала основной архитектурой универсальных компьютеров, включая персональные компьютеры.

Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, пока производители МК не поняли, что она дает определенные преимущества разработчикам автономных систем управления.

Дело в том, что, судя по опыту использования МПС для управления различными объектами, для реализации большинства алгоритмов управления такие преимущества фон-неймановской архитектуры как гибкость и универсальность не имеют большого значения. Анализ реальных программ управления показал, что необходимый объем памяти данных МК, используемый для хранения промежуточных результатов, как правило, на порядок меньше требуемого объема памяти программ. В этих условиях использование единого адресного пространства приводило к увеличению формата команд за счет увеличения числа разрядов для адресации операндов. Применение отдельной небольшой по объему памяти данных способствовало сокращению длины команд и ускорению поиска информации в памяти данных.

Кроме того, гарвардская архитектура обеспечивает потенциально более высокую скорость выполнения программы по сравнению с фон-неймановской за счет возможности реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполнением предыдущей, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды. Этот метод реализации операций позволяет обеспечивать выполнение различных команд за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто определить время выполнения циклов и критичных участков программы.

Большинство производителей современных 8-разрядных МК используют гарвардскую архитектуру. Однако гарвардская архитектура является недостаточно гибкой для реализации некоторых программных процедур. Поэтому сравнение МК, выполненных по разным архитектурам, следует проводить применительно к конкретному приложению.

В настоящее время наиболее яркими представителями микроконтроллеров CISC и RISC, имеющих соответственно фон-неймановскую и гарвардскую архитектуры являются микроконтроллеры i8051 и AVR – микроконтроллеры фирмы Atmel, которые по ряду характеристик превзошли очень известные PIC – микроконтроллеры. Поэтому рассмотрим организацию и устройство вышеперечисленных представителей.

2^ . CISC или RIS C?

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры – архитектуры с полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) можно считать фирму IBM с ее базовой архитектурой IBM/360, ядро которой используется с 1964 г. и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах, как IBM ES/9000.

Лидером в разработке микропроцессоров с полным набором команд считается компания Intel с микропроцессорами X86 и Pentium. Это практически стандарт для рынка микропроцессоров.

Сегодня разница в производительности между RISC и CISC наиболее очевидна в вычислениях с плавающей точкой, где на микропроцессор падает большая математическая нагрузка. Высокая производительность RISC в вычислениях с плавающей точкой используется в финансово-торговых системах и сложных инженерных приложениях. Однако для большинства приложений бизнес-серверов высокой производительности вычислений с плавающей точкой не требуется. Им нужна производительность усложненных вычислений. Целые вычисления работают с целыми числами, для представления которых требуется меньшее число бит. Следовательно, они требуют меньше процессорных действий. Большинство бизнес-приложений, которые обеспечивают число заказанных изделий или вычисляют количество товаров на складе, используют главным образом усложненные вычисления.

Простота архитектуры RISC-процессора обеспечивает его компактность, практическое отсутствие проблем с охлаждением кристалла, чего нет в процессорах фирмы Intel, упорно придерживающейся пути развития архитектуры CISC. Формирование стратегии CISC-архитектуры произошло за счет технологической возможности перенесения "центра тяжести" обработки данных с программного уровня системы на аппаратный, так как основной путь повышения эффективности для CISC-компьютера виделся, в первую очередь, в упрощении компиляторов и минимизации исполняемого модуля. На сегодняшний день CISC-процессоры почти монопольно занимают на компьютерном рынке сектор персональных компьютеров, однако RISC-процессорам нет равных в секторе высокопроизводительных серверов и рабочих станций.

Основные черты RISC-архитектуры с аналогичными по характеру чертами CISC-архитектуры отображаются следующим образом (табл.1):

CISC- архитектура	RISC-архитектура
Многобайтовые команды	Однобайтовые команды
Малое количество регистров	Большое количество регистров
Сложные команды	Простые команды
Одна или менее команд за один цикл процессора	Несколько команд за один цикл процессора
Традиционно одно исполнительное устройство	Несколько исполнительных устройств

^ Таблица 1.Основные черты архитектуры

Одним из важных преимуществ RISC-архитектуры является высокая скорость арифметических вычислений. RISC-процессоры первыми достигли планки наиболее распространенного стандарта IEEE 754, устанавливающего 32-разрядный формат для представления чисел с фиксированной точкой и 64-разрядный формат "полной точности" для чисел с плавающей точкой. Высокая скорость выполнения арифметических операций в сочетании с высокой точностью вычислений обеспечивает RISC-процессорам безусловное лидерство по быстродействию в сравнении с CISC-процессорами.

Другой особенностью RISC-процессоров является комплекс средств, обеспечивающих безостановочную работу арифметических устройств: механизм динамического прогнозирования ветвлений, большое количество оперативных регистров, многоуровневая встроенная кэш-память.

Организация регистровой структуры – основное достоинство и основная проблема RISC. Практически любая реализация RISC-архитектуры использует трехместные операции обработки, в которых результат и два операнда имеют самостоятельную адресацию – R1: = R2, R3. Это позволяет без существенных затрат времени выбрать операнды из адресуемых оперативных регистров и записать в регистр результат операции. Кроме того, трехместные операции дают компилятору большую гибкость по сравнению с типовыми двухместными операциями формата "регистр – память" архитектуры CISC. В сочетании с быстродействующей арифметикой RISC-операции типа "регистр – регистр" становятся очень мощным средством повышения производительности процессора.

Вместе с тем опора на регистры является ахиллесовой пятой RISC-архитектуры. Проблема в том, что в процессе выполнения задачи RISC-система неоднократно вынуждена обновлять содержимое регистров процессора, причем за минимальное время, чтобы не вызывать длительных простоев арифметического устройства. Для CISC-систем подобной проблемы не существует, поскольку модификация регистров может происходить на фоне обработки команд формата "память – память".

Существуют два подхода к решению проблемы модификации регистров в RISC-архитектуре: аппаратный, предложенный в проектах RISC-1 и RISC-2, и программный, разработанный специалистами IВМ и Стэндфордского университета. Принципиальная разница между ними заключается в том, что аппаратное решение основано на стремлении уменьшить время вызова процедур за счет установки дополнительного оборудования процессора, тогда как программное решение базируется на возможностях компилятора и является более экономичным с точки зрения аппаратуры процессора.

Вечный вопрос - что лучше?

Ответ зависит от конкретных условий. Технология RISC не всегда подходит для применения в тех случаях, когда набор задач ограничен. Например, для сетевого оборудования встроенные вычислительные средства RISC, как правило, не подходят, поскольку большинство ситуаций, в которых вы можете оказаться, можно предвидеть, а использование для их решения множества небольших команд замедляет работу устройства. Технология CISC предпочтительна при решении большинства задач, так или иначе относящихся к серверам (например, совместное использование файлов и принтеров), поскольку требования к процессорам в данном случае легко предвидеть. С другой стороны, технология RISC предпочтительна в "непредсказуемых" случаях, например, при обслуживании баз данных и приложений.

3. CISC-архитектура

К типу CISC можно отнести практически все ВМ, выпускавшиеся до середины 80-х годов и значительную часть из выпускаемых в настоящее время.

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 , 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 , 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 , 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 .

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

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.

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

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.

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.

При проектировании суперминикомпьютеров на базе последних достижений СБИС-технологии оказалось невозможным полностью перенести в нее архитектуру удачного компьютера, выполненного на другой элементной базе. Такой перенос был бы очень неэффективен из-за технических ограничений на ресурсы кристалла: площадь, количество транзисторов, мощность рассеивания и т. д.

Для снятия указанных ограничений в Беркли (США, Калифорния) была разработана RISC(Restricted (reduced) instruction set computer)-архитектура (регистро-ориентированная архитектура). Компьютеры с такой архитектурой иногда называют компьютерами с сокращенным набором команд. Суть ее состоит в выделении наиболее употребительных операций и создании архитектуры, приспособленной для их быстрой реализации. Это позволило в условиях ограниченных ресурсов разработать компьютеры с высокой пропускной способностью.

2.1. Основные принципы RISC-архитектуры

В компьютерной индустрии наблюдается настоящий бум систем с RISC-архитектурой. 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, проводившиеся в Калифорнийском, Стэнфордском университетах, а также в лабораториях фирмы IBM. Особую значимость имеет проект RISC-1, который возглавили профессора Давид Паттерсон и Карло Секуин. Именно они ввели в употребление термин RISC и сформулировали четыре основных принципа RISC-архитектуры:

* каждая команда независимо от ее типа выполняется за один машинный цикл, длительность которого должна быть максимально короткой;

* все команды должны иметь одинаковую длину и использовать минимум адресных форматов, что резко упрощает логику центрального управления процессором;

* обращение к памяти происходит только при выполнении операций записи и чтения, вся обработка данных осуществляется исключительно в регистровой структуре процессора;

* система команд должна обеспечивать поддержку языка высокого уровня. (Имеется в виду подбор системы команд, наиболее эффективной для различных языков программирования.)

Со временем трактовка некоторых из этих принципов претерпела изменения. В частности, возросшие возможности технологии позволили существенно смягчить ограничение состава команд: вместо полусотни инструкций, использовавшихся в архитектурах первого поколения, современные RISC-процессоры реализуют около 150 инструкций. Однако основной закон RISC был и остается 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 очень небольшая его часть.

Аппаратная поддержка выбранных операций, безусловно, сокращает время их выполнения, однако 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. Только 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.

2.2. Отличительные черты RISC - и CISC - архитектур

Основные черты RISC-архитектуры с аналогичными по характеру чертами CISC-архитектуры отображаются следующим образом (табл. 2.1):

Таблица 2.1. Основные черты архитектуры

CISC‑архитектура	RISC-архитектура
Многобайтовые команды	Однобайтовые команды
Малое количество регистров	Большое количество регистров
Сложные команды	Простые команды
Одна или менее команд за один цикл процессора	Несколько команд за один цикл процессора
Традиционно одно исполнительное устройство	Несколько исполнительных устройств

2.3. Некоторые задачи реализации RISC-процессоров

Нас будет в основном интересовать выбор оптимального набора операций. При его решении мы можем по некоторой джентльменской смеси задач, для выполнения которой предназначен компьютер, выбрать пакет контрольных программ и построить для них профиль их выполнения либо использовать метод статических или динамических измерений параметров самих программ.

При профилировании программы определяется доля общего времени центрального процессора, затрачиваемого на выполнение каждого оператора (операции) программы. Анализ полученных результатов позволит выявить характерные особенности профилируемой программы.

При статических или динамических измерениях подсчитывается, сколько раз в программе встречается тот или иной оператор (операция) или как часто признаки принимают положительные или отрицательные значения в тексте программы (статика) либо в результате выполнения (динамика).

Сочетание результатов, полученных в ходе предложенных исследований, дает общую картину анализируемой программы. Вот результаты одного из таких измерений в статике, проведенные для программ-компиляторов: операторы присваивания – 48 %; условные операторы – 15; циклы – 16; операторы вызова-возврата – 18; прочие операторы – 3 %.

Измерение трехсот процедур, используемых в программах – операционных системах в динамике показали следующие измерения типов операндов: константы – 33 %; скаляры – 42; массивы (структуры) – 20 и прочие – 5 %.

При этом статистика среди команд управления потоком данных следующая. В разных тестовых пакетах программ команды условного перехода занимают от 66 до 78 %, команды безусловного перехода – от 12 до 18 %, частота переходов на выполнение составляет от 10 до 16 %.

Отсюда можно сделать вывод, что операторы присваивания занимают основную часть в программах-компиляторах, а операнды типа константа и локальные скаляры составляют основную часть операндов в процедурах, к которым происходит обращение в процессе выполнения программы.

Подобные количественные и качественные измерения образуют основу для оптимизации процессорной архитектуры.

Так, если операторы присваивания занимают 48 % всех операторов, то ясно, что операцию доступа к операндам следует реализовать аппаратно. Особенно это важно, если речь идет о нечисловых задачах, в которых операции вычислительного плана, как правило, просты. В условных операторах, операторах цикла и вызова-возврата производятся манипуляции над множеством операндов, что также подтверждает необходимость аппаратной реализации операции доступа к операндам.

При анализе типов операндов мы учитывали три категории:

* константы – не меняются во время выполнения программы и имеют, как правило, небольшие значения;

* скаляры – обращение к ним происходит, как правило, явно по их имени. Их обычно немного, и они описываются в процедурах как локальные;

* обращение к элементам массивов и структур происходит посредством индексов и указателей, т. е. через косвенную адресацию. Этих элементов, как правило, много.

Для осуществления доступа к операнду необходимо вначале определить физический адрес ячейки, где хранится операнд, а затем осуществить доступ к операнду. Если операнд – константа, ее можно указать в команде. Доступ к ней может быть осуществлен немедленно после обращения. В других случаях все зависит от типа памяти, где хранится операнд. Регистровые блоки и кэш-память мало отличаются по емкости, скорости доступа и стоимости, однако существенно отличаются по накладным расходам на адресацию. Обращение к кэш-памяти осуществляется при помощи адресов полной длины, которые требуют более высокой полосы пропускания каналов обмена. Как правило, этот адрес приходится формировать во время выполнения программы, что как минимум требует полноразрядного сложения или обращения к регистру либо и того, и другого. Регистровые блоки адресуются короткими номерами регистров, которые обычно указываются в команде, что упрощает их декодирование. Однако регистровая память может хранить только определенные типы данных, в то время как кэш-память может использоваться и как основная. В связи с этим распределение скалярных переменных по регистрам необычайно важно, ибо существенно влияет на скорость обработки.

Необходимо решить вопрос с размером регистровых окон, ибо в обычной архитектуре окна однорегистровые, что требует операции запоминания-восстановления при каждом вызове-возврате.

При вызовах процедур необходимо запоминать содержимое регистров, а при возвращении – восстанавливать их, на что тратится значительное время. Вызовы процедур в современных структурированных программах делаются довольно часто, при этом суммарные накладные расходы на выполнение команд вызова и возврата из процедур на стандартных процессорах доходит до 50 % всех обращений к памяти в программе. Чтобы уменьшить время передачи данных между процедурами-родителями и процедурами-дочерьми (в случае, когда глубина их вложенности больше единицы), можно создать блок регистров, предоставив и родителям, и дочерям доступ к некоторым из них. Другими словами, необходимо создать перекрывающиеся блоки регистров. Такая возможность реализуется через перекрывающиеся "окна", накладываемые на блок регистров. Этот механизм реализован в RISC-архитектуре. Многие измерения показывают, что около 97 % процедур имеют не более шести параметров, что требует, чтобы перекрытие соседних окон шло где-то на пять регистров.

Процессор всегда содержит указатель текущего окна с возможностью его модификации в рамках реализованной глубины вложения процедур. Если глубина переполняется, часть содержимого окон направляется в основную память, чтобы иметь место для новых процедур. Для простоты реализации в ОП направляется содержимое целого окна. Это говорит о целесообразности введения многооконного механизма с заданным размером окна. Размер окна определяется количеством передаваемых параметров, а количество окон – допустимой вложенностью процедур.

Среди достоинств применения больших регистровых блоков можно выделить высокую скорость доступа к блокам и увеличение частоты вызова процедур. Среди недостатков – высокая стоимость большого регистрового блока, организуемого в ущерб другим функциональным блокам на кристалле.

Аппаратная реализация механизма перекрытия окон должна вводиться, если получаемый выигрыш перекрывает затраты.

Так как значительная часть процедур требует от трех до шести параметров, то следует подумать об оптимизации использования окон. Во-первых, пересылать в ОП в случае переполнения регистрового блока можно не все окна, а только содержимое регистров, используемых для данной процедуры, и, во-вторых, применять механизм с окнами переменных размеров, определяемых во время выполнения.

Перспективной разновидностью RISC-архитектуры явилась архитектура SPARC (Scalable Processor Architecture).

Замечание. Scaling – масштабирование, т. е. способность представлять данные таким образом, чтобы и они, и результат проводимых с ними вычислений находились в диапазоне чисел, которые могут обрабатываться в рамках данного процесса или на данном оборудовании.

Новая серия SPARCSTATIONS фирмы Sun Microsystems базируется на SPARC-архитектуре. Первые модели этой фирмы были изготовлены уже в 1989 г. Операционной средой для всех станций фирмы Sun является SunOS – разновидность OS Unix, снабженная многооконным графическим интерфейсом Open Look.

Для повышения скорости обработки данных используются компьютеры с VLIW (Very Long Instruction Word)-архитектурой. Структура команды таких компьютеров наряду с кодом операции и адресами операндов включает теги и дескрипторы. Наряду с существенным ускорением обработки данных такая архитектура позволяет экономить память при достаточном количестве обращений к командам и сокращать общее количество команд в системе команд.

2.4. Методы адресации и типы команд

В машинах с регистрами общего назначения метод (или режим) адресации объектов, с которыми манипулирует команда, может задавать константу, регистр или ячейку памяти.

В табл. 2.2 представлены основные методы адресации операндов, которые реализованы в компьютерах, рассмотренных в настоящей книге.

Таблица 2.2. Методы адресации

Метод адресации	Пример команды	Смысл команды	Использование команды
Регистровая			Для записи требуемого значения в регистр
Непосредственная или литерная			Для задания констант
Базовая со смещением		R4= R4+M(100+R1)	Для обращения к локальным переменным
Косвенная регистровая			Для обращения по указателю к вычисленному адресу
Индексная		R3 = R3+M(R1+R2)
Прямая или абсолютная			Полезна для обращения к статическим данным
Косвенная		R1 = R1+M(M(R3))	Если R3 – адрес указателя р, то выбирается значение по этому указателю
Автоинкрементная			Полезна для прохода в цикле по массиву с шагом: R2 – начало массива. В каждом цикле R2 получает приращение d
Автодекрементная			Аналогична предыдущей. Обе могут использоваться для реализации стека
Базовая индексная со смещением и масштабированием		R1=R1+M(100)+R2+R3*d	Для индексации массивов

Адресация непосредственных данных и литерных констант обычно рассматривается как один из методов адресации памяти (хотя значения данных, к которым в этом случае производятся обращения, являются частью самой команды и обрабатываются в общем потоке команд).

В табл. 2.2 на примере команды сложения (Add) приведены наиболее употребительные названия методов адресации, хотя при описании архитектуры в документации производители компьютеров и ПО используют разные названия для этих методов. В табл. 2.2. знак "=" используется для обозначения оператора присваивания, а буква M обозначает память (Memory). Таким образом M(R1) обозначает содержимое ячейки памяти, адрес которой определяется содержимым регистра R1.

Использование сложных методов адресации позволяет существенно сократить количество команд в программе, но при этом значительно увеличивается сложность аппаратуры.

Команды традиционного машинного уровня можно разделить на несколько типов, которые показаны в табл. 2.3.

Таблица 2.3. Основные типы команд

Тип операции
Арифметические и логические	Целочисленные арифметические и логические операции: сложение, вычитание, логическое сложение, логическое умножение и т. д.
Пересылки данных	Операции загрузки/записи
Управление потоком команд	Безусловные и условные переходы, вызовы процедур и возвраты
Системные операции	Системные вызовы, команды управления виртуальной памятью и т. д.
Операции с плавающей точкой	Операции сложения, вычитания, умножения и деления над вещественными числами
Десятичные операции	Десятичное сложение, умножение, преобразование форматов и т. д.
Операции над строками	Пересылки, сравнения и поиск строк

Тип операнда может задаваться либо кодом операции в команде, либо с помощью тега, который хранится вместе с данными и интерпретируется аппаратурой во время обработки данных.

Обычно тип операнда (целый, вещественный, символ) определяет и его размер. Как правило, целые числа представляются в дополнительном коде. Для задания символов компания IBM использует код EBCDIC, другие компании применяют код ASCII. Для представления вещественных чисел с одинарной и двойной точностью придерживаются стандарта IEEE 754.

В ряде процессоров применяют двоично кодированные десятичные числа, которые представляют в упакованном и неупакованном форматах. Упакованный формат предполагает, что для кодирования цифр 0 – 9 используют 4 разряда и две десятичные цифры упаковываются в каждый байт. В неупакованном формате байт содержит одну десятичную цифру, которая обычно изображается в символьном коде ASCII.

2.5. Компьютеры со стековой архитектурой

При создании компьютера одновременно проектируют и систему команд (СК) для него. Существенное влияние на выбор операций для их включения в СК оказывают:

* элементная база и технологический уровень производства ком-пьютеров;

* класс решаемых задач, определяющий необходимый набор операций, воплощаемых в отдельные команды;

* системы команд для компьютеров аналогичного класса;

* требования к быстродействию обработки данных, что может породить создание команд с большой длиной слова (VLIW-команды).

Анализ задач показывает, что в смесях программ доминирующую роль играют команды пересылки и процессорные команды, использующие регистры и простые режимы адресации.

На сегодняшний день наибольшее распространение получили следующие структуры команд: одноадресные (1A), двухадресные (2A), трехадресные (3A), безадресные (БА), команды с большой длиной слова (VLIW – БДС) (рис. 2.1):









					Дескрипторы

Рис. 2.1. Структуры команд

Причем операнд может указываться как адресом, так и непосредственно в структуре команды.

В случае БА-команд операнды выбираются и результаты помещаются в стек (магазин, гнездо). Типичными первыми представителями БА-компьютеров являются KDF-9 и МВК "Эльбрус". Их характерной особенностью является наличие стековой памяти.

Стек – это область оперативной памяти, которая используется для временного хранения данных и операций. Доступ к элементам стека осуществляется по принципу FILO (first in, last out) – первым вошел, последним вышел. Кроме того, доступ к элементам стека осуществляется только через его вершину, т. е. пользователю "виден" лишь тот элемент, который помещен в стек последним.

Рассмотрим функционирование процессора со стековой организацией памяти.

При выполнении различных вычислительных процедур процессор использует либо новые операнды, до сих пор не выбиравшиеся из памяти компьютера, либо операнды, употреблявшиеся в предыдущих операциях. В процессорах с классической структурой обращение к любому операнду (1A-ЭВМ) требует цикла памяти.

Рассмотрим пример.

Пусть процессор вычисляет значение выражения

DIV_ADBLOCK142">

Номер команды		Комментарии


		– рабочая ячейка


		– рабочая ячейка

Замечание. Выполнение команды типа https://pandia.ru/text/78/406/images/image016_43.gif" width="28" height="28">

Как следует из приведенной программы, операнд a выбирается из памяти 2 раза (команды 4 и 5), b – 3 раза (команды 2, 7 и 8). Кроме того, потребовались дополнительные обращения к памяти для запоминания и вызова из памяти результатов промежуточных вычислений (команды 3, 6, 9, 10).

Если главным фактором, ограничивающим быстродействие компьютера, является время цикла памяти, то необходимость в дополнительных обращениях к памяти значительно снижает скорость его работы. Очевидно, что принципиально необходимы только обращения к памяти за данными в первый раз. В дальнейшем они могут храниться в триггерных регистрах или СОЗУ.

Указанные соображения получили свое воплощение в ряде логических структур процессора. Одна из них – процессор со стековой памятью. Принцип ее работы поясняет схема, представленная на рис. 2.2.

Стековая память представляет собой набор из n регистров, каждый из которых способен хранить одно машинное слово. Одноименные разряды регистров P1, P2, ..., Pn соединены между собой цепями сдвига. Поэтому весь набор регистров может рассматриваться как группа n‑разрядных сдвигающих регистров, составленных из одноименных разрядов регистров P1, P2, ..., Pn. Информация в стеке может продвигаться между регистрами вверх и вниз.

Движение вниз: (P1) ® P2, (P2) ® P3, ..., а P1 заполняется данными из главной памяти.

Движение вверх: (Pn) ® Pn‑1, (Pn‑1) ® Pn‑2, а Pn заполняется нулями.

Рис. 2.2. Стековая организация процессора

Регистры P1 и P2 связаны с АЛУ, образуя два операнда для выполнения операции. Результат операции записывается в P1. Следовательно, АЛУ выполняет операцию .

Одновременно с выполнением арифметической операции (АО) осуществляется продвижение операндов вверх, не затрагивая P1, т. е. (P3) ® P2, (P4) ® P3 и т. д.

Таким образом, АО используют подразумеваемые адреса, что уменьшает длину команды. В принципе, в команде достаточно иметь только поле, определяющее код операции. Поэтому компьютеры со стековой памятью называют безадресными. В то же время команды, осуществляющие вызов или запоминание информации из главной памяти, требуют указания адреса операнда. Поэтому в ЭВМ со стековой памятью используются команды переменной длины. Например, в KDF-9 команды АО – однослоговые, команды обращения к памяти и передач управления – трехслоговые, остальные – двуслоговые.

Команды располагаются в памяти в виде непрерывного массива слогов независимо от границ ячеек памяти. Это позволяет за один цикл обращения к памяти вызвать несколько команд.

Для эффективного использования возможностей такой памяти в ЭВМ вводятся спецкоманды:

· дублирование ~ (P1) ® P2, (P2) ® P3, ... и т. д., а (P1) остается при этом неизменным;

· реверсирование ~ (P1) ® P2, а (P2) ® P1, что удобно для выполнения некоторых операций.

Рассмотрим тот же пример для новой ситуации (табл. 2.5):

0 " style="border-collapse:collapse;border:none">

Вызов b

Дублирование

Вызов c

Сложение

Реверсирование

Дублирование

Умножение

Вызов a

Дублирование

Умножение

Сложение

Как следует из табл. 2.5, понадобились лишь три обращения к памяти для вызова операндов (команды 1, 3, 8). Меньше обращений принципиально невозможно. Операнды и промежуточные результаты поступают для операций в АУ из стековой памяти; 9 команд из 12 являются безадресными.

Вся программа размещается в трех 48-разрядных ячейках памяти.

Главное преимущество использования магазинной памяти состоит в том, что при переходе к подпрограммам (ПП) или в случае прерывания нет необходимости в специальных действиях по сохранению содержимого арифметических регистров в памяти. Новая программа может немедленно начать работу. При введении в стековую память новой информации данные, соответствующие предыдущей программе, автоматически продвигаются вниз. Они возвращаются обратно, когда новая программа закончит вычисления.

Наряду с указанными преимуществами стековой памяти отметим также:

* уменьшение количества обращений к памяти;

* упрощение способа обращения к ПП и обработки прерываний.

Недостатки стековой организации памяти:

· большое число регистров с быстрым доступом;

· необходимость в дополнительном оборудовании, чтобы следить за переполнением стековой памяти, ибо число регистров памяти конечно;

· приспособленность главным образом для решения научных задач и в меньшей степени для систем обработки данных или управления технологическими процессами.

2.6. Оптимизация системы команд

Важным вопросом построения любой системы команд является оптимальное кодирование команд. Оно определяется количеством регистров и применяемых методов адресации, а также сложностью аппаратуры, необходимой для декодирования. Именно поэтому в современных RISC-архитектурах используются достаточно простые методы адресации, позволяющие резко упростить декодирование команд. Более сложные и редко встречающиеся в реальных программах методы адресации реализуются с помощью дополнительных команд, что, вообще говоря, приводит к увеличению размера программного кода. Однако такое увеличение программы с лихвой окупается возможностью простого увеличения частоты RISC-процессоров. Этот процесс мы можем наблюдать сегодня, когда максимальные тактовые частоты практически всех RISC-процессоров (Alpha, R4400, HyperSPARC и Power2) превышают тактовую частоту, достигнутую процессором Pentium.

Общую технологию проектирования системы команд для новой ЭВМ можно обозначить так: зная класс решаемых задач, выбираем некоторую типовую СК для широко распространенного компьютера и исследуем ее на предмет присутствия всего разнообразия операций в заданном классе задач. Вовсе не встречающиеся или редко встречающиеся операции не покрываем командами. Все частоты встреч операций для задания их в СК всякий раз можно определить из соотношений "стоимость затрат – сложность реализации – получаемый выигрыш".

Второй путь проектирования СК состоит в расширении имеющейся системы команд. Один из способов такого расширения – создание макрокоманд, второй – используя имеющийся синтаксис языка СК, дополнить его новыми командами с последующим переассемблированием, через расширение функций ассемблера. Оба эти способа принципиально одинаковы, но отличаются в тактике реализации аппарата расширения.

Так, система команд для ПК IBM покрывает следующие группы операций: передачи данных, арифметические операции, операции ветвления и циклов, логические операции и операции обработки строк.

Разработанную СК следует оптимизировать. Один из способов оптимизации состоит в выявлении частоты повторений сочетаний двух или более команд, следующих друг за другом в некоторых типовых задачах для данного компьютера, с последующей заменой их одной командой, выполняющей те же функции. Это приводит к сокращению времени выполнения программы и уменьшению требуемого объема памяти.

Мы можем исследовать и часто генерируемые компилятором некоторые последовательности команд, убирая из них избыточные коды.

Оптимизацию можно проводить и в пределах отдельной команды, исследуя ее информационную емкость. Для этого можно применить аппарат теории информации, в частности для оценки количества переданной информации – энтропию источника. Тракт "процессор – память" можно считать каналом связи.

Замечание. Энтропия – это мера вероятности пребывания системы в данном состоянии (в статистической физике).

2.7. Процессоры с микропрограммным управлением

Известны два подхода к построению логики формирования функциональных импульсов. Один из них: каждой операции процессора соответствует набор логических схем, выполненных на диодах, транзисторах и т. д. и определяющих, какой функциональный импульс (ФИ) и в каком такте должен быть возбужден. Пусть некоторый ФИ должен появиться в такте j операции m при условии наличия переполнения сумматора или в такте i операции n. Требуемое действие будет выполнено, если подать сигналы, соответствующие указанным кодам операции, тактам и условиям на входы схем И, а выходы последних через схему ИЛИ соединить с формирователем ФИ (рис. 2.3).

Такой принцип управления операциями получил название "жесткой" или "запаянной" логики и широко применяется во многих компьютерах.

Рис. 2.3. Формирование функционального импульса

Другой принцип организации управления : каждой микрооперации (МИО) ставится в соответствие слово (или часть слова), называемое микрокомандой и хранимое в памяти подобно тому, как хранятся в памяти команды обычного компьютера. Здесь команде соответствует микропрограмма, т. е. набор микрокоманд (МИК), указывающих, какие ФИ и в какой последовательности необходимо возбуждать для выполнения данной операции. Такой подход получил название микропрограммирования или "хранимой логики". Это подчеркивает тот факт, что в микропрограммном компьютере логика управления реализуется не в виде электронной схемы , а в виде закодированной информации, находящейся в каком-то регистре.

Идея микропрограммирования, высказанная в 1951 г. Уилксом, до недавнего времени не находила широкого применения, ибо:

· не было надежных и быстродействующих ЗУ для хранения микропрограммы;

· неправильно понимались задачи и выгоды микропрограммирования.

Поясним второй аргумент. Считалось, ценность микропрограммирования в том, что каждый потребитель может сконструировать себе из МИК нужный ему набор операций в данной конкретной задаче. Замена наборов команд достигалась бы заменой информации в ЗУ без каких-либо переделок в аппаратуре. Однако в этом случае программисту необходимо было бы знать все тонкости работы инженера-разработчика компьютера. А основная тенденция развития ЭВМ в связи с автоматизацией программирования состоит в том, чтобы освободить программиста от детального изучения устройств компьютера и в максимальной степени приблизить язык компьютера к языку человека. Поэтому микропрограммные компьютеры считали трудными для пользователя.

В последнее время интерес к микропрограммному принципу возродился, так как:

· созданы односторонние (читающие) быстродействующие ЗУ с малым циклом памяти;

· микропрограммирование рассматривается не как средство повышения гибкости программирования, а как метод построения системы управления процессором, удобный для инженера-разработчика компьютера.

Программист в своей работе может и не подозревать о микропро-граммной структуре компьютера и использовать все средства ПО и языки программирования самого высокого уровня. Использование микропрограммного принципа позволяет облегчить разработку и изменение логики процессора.

С появлением программного доступа к состоянию процессора после выполнения каждой МИК обеспечивается возможность создания экономичной системы автоматической диагностики неисправностей и появляется способность к эмуляции, т. е. к выполнению на данной ЭВМ программы, составленной в кодах команд другого компьютера. Это достигается введением дополнительного набора МИК, соответствующих командам эмулируемого компьютера.

Эти возможности способствуют распространению методов микропрограммирования при построении УУ в современных компьютерах.

2.7.1. Горизонтальное микропрограммирование

Существуют два вида микропрограммного управления: горизонтальное и вертикальное. При горизонтальном – каждому разряду МИК соответствует определенная МИО, выполняемая независимо от содержания других разрядов. Микропрограмма может быть представлена в виде матрицы n ´ m, где n – число ФИ, m – количество МИК, т. е. строка соответствует одной МИК, а столбец – одной МИО (рис. 2.4).

Рис.2.4. Микропрограмма при горизонтальном
микропрограммировании

Примерные значения разрядов МИК приведены на рис. 2.5.

Рис.2.5. Значение разрядов МИК (МИО):

1 – гашение сумматора; 2 – гашение указателя переполнения; 3 – обратный код сумматора; 4 – гашение регистра множителя частного; 5 – инвертирование знака; 6 – сдвиг содержимого сумматора влево; 7 – сдвиг содержимого сумматора вправо; 8 – увеличение содержимого сумматора на 1; 9 –

чтение из ЗУ в сумматор; …

Наличие "1" в пересечении какой-либо строки и столбца означает посылку ФИ в данную МИК, а наличие "0" – его отсутствие.

Размещение "1" в нескольких разрядах МИК означает выполнение нескольких МИО одновременно. Конечно, возбуждаемые МИО должны быть совместимы.

Пусть, например, разряды 9-разрядной МИК принимают следующие значения: . Тогда, если заданные разряды соответствуют семантике, указанной на рис. 2.5, то МИО, определяемые разрядами 9, 7 и 6, несовместимы.

Для расширения возможностей МИК иногда используют многотактный принцип исполнения МИК. При этом каждому разряду присваивается номер такта, в котором выполняется соответствующая ему МИО, т. е. здесь все совместимые МИО имеют один номер такта. Все остальные такты нумеруются в порядке их естественного выполнения. Однако универсальную нумерацию МИО в МИК указать затруднительно.

Достоинства горизонтального микропрограммирования:

· возможность одновременного выполнения нескольких МИО;

· простота формирования ФИ (без схем дешифрации).

Недостатки:

· большая длина МИК, так как число ФИ в современных компьютерах достигает нескольких сот, и соответственно большой объем ЗУ для
хранения МИК;

· из-за ограничений совместимости операций, а также из-за последовательного характера выполнения алгоритмов операций лишь небольшая часть разрядов МИК будет содержать "1". В основном матрица будет состоять из нулей. Неэффективное использование ЗУ привело к малому распространению горизонтального микропрограммирования.

2.7.2. Вертикальное микропрограммирование

При вертикальном микропрограммировании каждая МИО определяется не состоянием одного разряда, а двоичным кодом, содержащимся в определенном поле МИК. Микрокоманда несколько напоминает формат обычных команд. Отличие состоит в том, что:

· выполняется более элементарное действие – МИО вместо операции;

· адресная часть (в большинстве случаев) определяет не ячейку памяти, а операционный регистр процессора.

Формат МИК при вертикальном микропрограммировании приведен на рис. 2.6.

Рис. 2.6. Формат вертикальной МИК

Поля Р1 и Р2 в адресной части МИК указывают двоичные номера операционных регистров, содержимое которых участвует в одной операции. Одно из полей является одновременно и адресом результата. Таким образом, реализация арифметической или логической МИО, указанной в данной МИК,

может быть выражена формулой

(P1) Ä (P2) ® P1, или (P2) ®P1,

где Ä – символ МИО.

Для МИК обращения к памяти поле P1 указывает регистр, куда принимается информация, а P2 – регистр, содержимое которого является адресом обращения к ЗУ. Указанный формат МИК не единственный.

Каждая МИК выполняет следующие функции:

· указывает выполняемую МИО;

· указывает следующую МИО через задание "следующего адреса";

· задает продолжительность МИК;

· указывает дополнительные действия – контроль и т. д.

Обычно в слове МИК имеются четыре зоны, соответствующие указанным функциям. Вообще говоря, некоторые из зон могут указываться неявно, например выбор очередной МИК может осуществляться из следующей ячейки, продолжительность МИК может быть определена одинаковой для всех МИК и т. д.

Первыми компьютерами с микропрограммным управлением среди отечественных ЭВМ были МИР, НАИРИ, среди зарубежных – IBM/360,
Spectra 70.

Упражнения

1. Проанализируйте особенности RISC‑ и CISC‑архитектур компьютеров.

2. Приведите конкретные примеры воплощения RISC‑архитектур в реальных компьютерах.

3. Промоделируйте работу RISC‑программы на CISC-компьютере.

4. Проанализируйте и сравните по различным параметрам (быстродействию, памяти, сложности программирования) программы для одно‑, двух‑, трех‑ и безадресных компьютеров.

5. Проведите оптимизацию системы команд, если задан конкретный набор решаемых задач.

6. Разработайте микропрограммы выполнения заданных операций для реального компьютера. Проанализируйте целесообразность микропрограм-мной поддержки операций.

7. Разработайте систему команд для компьютера с VLIW‑архитектурой.