В статье авторы указывают на две основные архитектуры набора команд, используемые компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, а именно на архитектуры CISC и RISC. А также в данной статье описываются основные характеристики вышеперечисленных процессорных архитектур, отмечаются их достоинства и недостатки.
Ключевые слова: CISC-архитектура, RISC-архитектура, архитектура, аппаратная часть, программное обеспечение, архитектура процессоров, инструкция, процессор, высокий уровень, вычислительная техника, программная архитектура, расширенный набор.
В процессе эволюции компьютерных технологий были изобретены разнообразные вычислительные технологии. Так ещё в 50-е годы прошлого века были изобретены процессоры. Изначально они были очень громоздкими, но, спустя некоторое время, в производстве появились микропроцессоры, характерной чертой которых являлось то, что они являлись 8-ми битными. Но уже сегодня любая вычислительная техника состоит на базе микропроцессоров. Что же представляет из себя микропроцессор?
Микропроцессор — интегральная схема (ИС), которая реализует функции центрального процессора (ЦП или просто процессора) компьютерной системы. Его разработка стала возможной благодаря развитию полупроводниковой технологии, позволившей создать большое число транзисторов на одном кремниевом кристалле (чипе) [3]. Именно эта конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате компьютера.
Процессор, в свою очередь, является центральным устройством компьютера. Он выполняет программные команды в оперативной памяти и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, подключенным к специальным контактам корпуса микросхемы, то есть выполняет программный код в памяти и управляет работой всех устройств компьютера.
В свою очередь, каждый процессор имеет определенную архитектуру. Архитектуру процессоров можно истолковать как «комбинацию вычислительной архитектуры и её реализацию в процессоре (в кремнии), то если рассматривать в аспекте программирования и аппаратно-технических (и технологических) решений» [1, с. 100]. Стоит обратить внимание на то, что отличие архитектур и их несовместимость обнаруживается именно на уровне машинного кодирования или низкоуровневого программирования (ассемблирования).
С программной точки зрения, архитектура процессоров определяется как «набор регистров, команд, их структуру и способ выполнения, в результате чего, с одной стороны, программы, собранные для процессоров одной архитектуры, могут выполняться практически на всех процессорах одинаковой (или подобной) архитектуры, а с другой — не смогут работать на процессорах иной архитектуры» [1, с. 100].
С аппаратной точки зрения, «архитектура процессора — это набор составных частей, компонентов и технологий, присущих линейке процессоров. Аппаратная часть постоянно совершенствуется, как по микроархитектуре, так и по технологическому процессу» [1, с. 100]. Выпускаются новые поколения процессоров, основной елью которых является увеличение производительности и функциональности.
Поэтому, с точки зрения практического применения процессоров, основной является программная архитектура. На сегодняшний день существует несколько основных архитектур и существенное число процессоров на их основе.
Так, на текущий момент, актуальные и распространённые архитектуры — это CISC, RISC, VLIW и другие, но в данной статье рассмотрим подробнее такие архитектуры процессоров как CISC и RISC, так как большинство вычислительной техники построено на них.
CISC -архитектура
CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — это первый появившийся в истории тип процессорной архитектуры, с такими отличительными особенностями как:
— имеет нефиксированную длину команд;
— кодирование арифметических действий происходит в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.
Основоположником CISC-архитектуры считается фирма IBM с архитектурой IBM/360.
Ярким примером CISC архитектуры является x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).
x86 (Intel 80x86) — аппаратная платформа: архитектура микропроцессора и соответствующий набор инструкций, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров других производителей (AMD, VIA, Transmeta, WinChip и т. д.) [2].
В процессорах CISC одна инструкция может быть заменена аналогичной или группой инструкций, выполняющих одну и ту же функцию. Отсюда и сложность расшифровки. Поэтому концепция проектирования процессоров данной архитектуры характеризуется следующим набором свойств:
— большое количество команд разного формата и длины;
— введение значительно большего количества различных режимов адресации;
— имеет сложную кодировку инструкций.
Процессору с CISC — архитектурой приходится выполнять более сложные инструкции с неодинаковой длиной. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, но обработка несколько таких инструкций параллельно намного сложнее.
Облегчение отладки программ на ассемблере приводит к загромождению микропроцессорного блока узлами. Для увеличения быстродействия следует повышать тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии, а, следовательно, требуется более дорогое производство.
Тем не менее архитектура CISC имеет такие преимущества , как:
- Компактность набора инструкций уменьшает размер программы и уменьшает количество обращений к памяти.
- Набор инструкций включает поддержку программного обеспечения высокого уровня.
Также не могу не перечислить недостатки архитектуры CISC:
1) Неравномерность потока команд.
2) Высокая стоимость оборудования.
3) Трудности распараллеливания вычислений.
RISC -архитектура
RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — процессорная архитектура, в которой быстродействие повышается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится простым, а время выполнения — намного меньше. В первых RISC-процессорах не было инструкций умножения и деления, и они не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.
Термин RISC был придуман Дэвидом Паттерсоном из проекта Berkeley RISC.
По сравнению с CISC архитектура RISC имеет определенную длину инструкций, а также уменьшенное количество однотипных инструкций, что позволяет снизить конечную цену процессора и энергопотребление, что принципиально для мобильного сегмента. RISC также имеет несколько регистров.
Примерами RISC-архитектур являются PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).
Достоинства данной архитектуры:
1) высокая тактовая частота;
2) высокая скорость выполнения команд;
3) уменьшение площади кристалла;
4) снижение энергопотребления;
5) снижение цены.
Недостаток этой архитектуры в том, что для выполнения некоторых функций требуется использование нескольких простых команд вместо сложной.
В итоге хотелось бы сказать, что разработка процессорных архитектур характеризуется постоянным стремлением к повышению производительности компьютерных систем. Вышеуказанные архитектуры имеют тенденцию компенсировать недостатки и ограничения других. И в то же время по мере улучшения одних качеств другие могут ухудшаться. Поэтому все современные архитектуры используются в компьютерных системах в зависимости от поставленной задачи и условий применения.
Литература:
- Афонин, И. Современные процессорные архитектуры / И. Афонин, Д. Кабачник. — Текст: непосредственный // В записную книжку инженера. — 2020. — № СТА1. — С. 100–104.
- x86 — это... Что такое x86?. — Текст: электронный // АКАДЕМИК: [сайт]. —URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/9669#:~:text=X86 %20(Intel %2080x86) %20 %20аппаратная,(i286) %2C %2080386 %20(i386) %2C %2080486 %20(i486) (дата обращения: 19.06.2022).
- Грушин, А. И. МИКРОПРОЦЕ́ССОР / А. И. Грушин. — Текст: электронный // Большая российская энциклопедия: [сайт]. — URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3348546 (дата обращения: 19.06.2022).
- Процессор. Архитектура процессора. CISC и RISC процессоры. — Текст: электронный // Referat911: [сайт]. — URL: https://www.referat911.ru/Informatika/processor-arhitektura-processora-cisc-i/543270–3281893-place1.html (дата обращения: 19.06.2022).
- Евкова, А. Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора / А. Евкова. — Текст: электронный // evkova.org: [сайт]. — URL: https://www.evkova.org/kursovye-raboty/protsessor-personalnogo-kompyutera--naznachenie-funktsii--klassifikatsiya-protsessora#footnote-23 (дата обращения: 19.06.2022).
- Самелюк, А. RISC-архитектура процессора / А. Самелюк. — Текст: электронный // FB: [сайт]. — URL: https://fb.ru/article/350271/risc-arhitektura-protsessora (дата обращения: 19.06.2022).
