Что такое risc архитектура
Перейти к содержимому

Что такое risc архитектура

  • автор:

СУЭБ ИВТ СО РАН

Словарные статьи в коллекции: (public_cat = Thesaurus of Information Technology: Dictionary Articles )

RISC-архитектура

RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer — компьютер с сокращенным набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счет упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения — короче. В процессорах с RISC-архитектурой используется ограниченный набор быстрых команд. Каждая команда RISC-процессора должна выполняться за один машинный такт. Это облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками). В таких микропроцессорах содержится меньшее количество транзисторов, что снижает их стоимость и энергопотребление. При этом, как правило, повышается их производительность. Архитектура RISC является основой современных высокопроизводительных ЭВМ.

Идея RISC-архитектуры была выдвинута в 1975 году Джоном Коком из IBM Research и впервые реализованна в 1980 году. Суть концепции RISC заключается в сведении набора команд ВМ к наиболее употребительным простейшим командам. Это позволяет упростить схемотехнику процессора и добиться резкого сокращения времени выполнения каждой из «простых» команд. Более сложные команды реализуются как подпрограммы, составленные из быстрых «простых» команд.
Архитектура RISC-процессоров характеризуется наличием команд фиксированной длины, большого количества регистров, операций типа регистр-регистр, а также отсутствием косвенной адресации.
Главные усилия в архитектуре RISC направлены на построение максимально эффективного конвейера команд, то есть такого, где все команды извлекаются из памяти и поступают в центральный процессор (ЦП) на обработку в виде равномерного потока, причем ни одна команда не должна находиться в состоянии ожидания, а ЦП должен оставаться загруженным на протяжении всего времени. Кроме того, идеальным будет вариант, когда любой этап цикла команды выполняется в течение одного тактового периода.
Для технологии RISC характерна сравнительно простая структура устройства управления. Площадь, выделяемая на кристалле микросхемы для его реализации, существенно меньше. Как следствие, появляется возможность разместить на кристалле большое число регистров ЦП. Кроме того, остается больше места для других узлов ЦП и для дополнительных устройств: кэш-памяти, блока арифметики с плавающей запятой, части основной памяти, блока управления памятью, портов ввода/вывода.
Унификация набора команд, ориентация на конвейерную обработку, унификация размера команд и длительности их выполнения, устранение периодов ожидания в конвейере — все эти факторы положительно сказываются на общем быстродействии.
Недостатки RISC прямо связаны с некоторыми преимуществами этой архитектуры. Принципиальный недостаток — сокращенное число команд: на выполнение ряда функций приходится тратить несколько команд вместо одной в CISC. Это удлиняет код программы, увеличивает загрузку памяти и трафик команд между памятью и ЦП. Исследования показали, что RISC-программа в среднем на 30% длиннее CISC-программы, реализующей те же функции.
Хотя большое число регистров дает существенные преимущества, само по себе оно усложняет схему декодирования номера регистра, тем самым увеличивается время доступа к регистрам.
Устройство управления с аппаратной логикой, реализованное в большинстве RISC-систем, менее гибко, более склонно к ошибкам, затрудняет поиск и исправление ошибок, уступает при выполнении сложных команд.


    Литература
  • Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.

Ключевые термины, связанные с термином : «RISC-архитектура»:

  1. CISC-архитектура [ru]
  2. EPIC-архитектура [ru]
  3. VLIW-архитектура [ru]
  4. Процессор [ru]
  5. Симметричные мультипроцессорные системы [ru]
  6. ЭВМ [ru]

Литература

Архитектура процессоров RISC и CISC, их достоинства и недостатки

Уланова, Е. И. Архитектура процессоров RISC и CISC, их достоинства и недостатки / Е. И. Уланова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 25 (420). — С. 15-17. — URL: https://moluch.ru/archive/420/93362/ (дата обращения: 29.10.2023).

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 80×86) — 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:

  1. Компактность набора инструкций уменьшает размер программы и уменьшает количество обращений к памяти.
  2. 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.

  1. Афонин, И. Современные процессорные архитектуры / И. Афонин, Д. Кабачник. — Текст: непосредственный // В записную книжку инженера. — 2020. — № СТА1. — С. 100–104.
  2. x86 — это. Что такое x86?. — Текст: электронный // АКАДЕМИК: [сайт]. —URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/9669#:~:text=X86 %20(Intel %2080×86) %20 %20аппаратная,(i286) %2C %2080386 %20(i386) %2C %2080486 %20(i486) (дата обращения: 19.06.2022).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).

Основные термины (генерируются автоматически): CISC, RISC, архитектура, процессор, IBM, архитектура процессоров, вычислительная техника, аппаратная часть, высокий уровень, программная архитектура.

Ключевые слова

программное обеспечение, архитектура, процессор, вычислительная техника, инструкция, CISC-архитектура, RISC-архитектура, аппаратная часть, архитектура процессоров, высокий уровень, программная архитектура, расширенный набор

CISC-архитектура, RISC-архитектура, архитектура, аппаратная часть, программное обеспечение, архитектура процессоров, инструкция, процессор, высокий уровень, вычислительная техника, программная архитектура, расширенный набор

Похожие статьи

Основные принципы построения современных компьютерных.

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Предназначение архитектуры определять основные правила для обеспечения взаимодействия элементов.

Процессором с симметричной регистровой архитектурой.

Архитектура и конструкция процессоров всегда были стремительно развивающимися

Но увеличение кешей и добавление конструкций параллелизма на уровне команд дают слишком

Многоядерные процессоры с гетерогенной архитектуройпроцессоры, ядра которых.

Сравнительный обзор распространённых языков. | Молодой ученый

языки программирования высокого уровня. К первой группе относят семейство языков

У опытных программистов на языках высокого уровня, к которым всё-таки относится и язык

Если же программная задержка важна для разрабатываемой системы, то последствия могут.

Разработка обобщенной модели архитектуры нейрокомпьютера

Рассматриваются вопросы разработки обобщенной модели архитектуры концептуально нового поколения вычислительной техники — нейрокомпьютеров, принцип

Показаны особенности структуры вычислителя нейрокомпьютера, благодаря которому достигается высокий уровень.

Архитектура современных многоядерных процессоров

Таким образом, архитектура современных многоядерных процессоров направлена на распараллеливание задач, что обеспечивает дальнейшее развитие вычислительной техники за счет увеличения производительности и уменьшения уровня энергопотребления. Литература

Программноаппаратные средства защиты автоматизированных.

Саяркин, Л. А. Программноаппаратные средства защиты автоматизированных систем от

Аппаратнопрограммные модули доверенной загрузки (АПМДЗ) — основное решение

Некоторые АПМДЗ позволяют блокировать НСД к компьютеру еще на уровне BIOS, что не.

Анализ эффективности применения аппаратных устройств.

МП (Микропроцессор) — процессор, выполненный в виде одной либо нескольких

МП характеризуются областью применения, архитектурой (организация памяти и шин

Недостаток МК — они обладают меньшей производительностью по сравнению с аппаратными решениями.

Аппаратные и программные средства систем реального времени

Любая система реального времени характеризуется набором аппаратных и программных средств. Аппаратные средства делятся на две группы: средства вычислительной техники и специализированные устройства для связи ЭВМ с объектом. В рамках программных средств.

Анализ современных подходов в архитектуре предприятий

В статье рассматриваются современные подходы в архитектуре предприятий, их

 В статье рассматриваются современные подходы в архитектуре предприятий

Участники отвечают на одинаковые вопросы, расположенные в столбцах таблицы, но с различным уровнем абстракции.

  • Как издать спецвыпуск?
  • Правила оформления статей
  • Оплата и скидки

Архитектура процессоров (CISC, RISC, MISC)

Микропроцессор — 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

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

Недостатки архитектуры CISC

  1. Нерегулярность потока команд.
  2. Высокая стоимость аппаратной части.
  3. 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

1.каждое действие выполняется в 1 такт

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.

RISC (процессоры)

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computing ) — вычисления с сокращённым набором команд.

Это концепция проектирования процессоров, которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения (т.н. суперскалярные архитектуры процессоров). Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Идея создания RISC процессоров пришла после того, как в 1970-х годах ученые из ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того, что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых.

Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50?100) набор команд, тогда как обычные

Характерные особенности RISC-процессоров:

  • Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
  • Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т.н. load-and-store архитектура).
  • Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
  • Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.
  • Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC процессоре исполняется микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещенный в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALCode (Privileged Architecture Library), помещенном в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64битного в 32битный, а также изменить порядок байт в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

Архитектуры, обычно обсуждаемые в связи с RISC:

  • Суперскалярные архитектуры (первоначально Sun SPARC, начиная с Pentium использованы в семействе x86). Распараллеливание исполнения команд между несколькими устройствами исполнения, причем решение о параллельном исполнении двух или более команд принимается аппаратурой процессора на этапе исполнения. Эффективное использование такой архитектуры требует специальной оптимизации машинного кода в компиляторе для генерации пар независимых (результат одной не является входом другой) команд.
  • Архитектуры PA-RISC. VLIW-процессором в его классическом виде является Иные архитектурные решения, типичные для RISC:
    • Спекулятивное исполнение. При встрече с командой условного перехода процессор исполняет (или по крайней мере читает в кэш инструкций) сразу обе ветви, до тех пор, пока не окончится вычисление управляющего выражения перехода. Позволяет отказаться от простоев конвейера при условных переходах.
    • Переименование регистров. Каждый регистр процессора на самом деле представляет собой несколько параллельных регистров, хранящих несколько версий значения. Используется для реализации спекулятивного исполнения.

    Как оказалось в начале 90х годов, RISC-архитектуры позволяют получить большую производительность, чем CISC, за счет использования суперскалярного и VLIW подхода, а также за счет возможности серьезного повышения тактовой частоты DEC Alpha и за счет упрощения кристалла с высвобождением площади под кэш-память, могущую достигнуть огромных размеров. Также RISC-архитектуры позволили сильно снизить энергопотребление процессора за счет уменьшения числа транзисторов (ARM).

    Первое время RISC-архитектуры с трудом принимались рынком из-за отсутствие программного обеспечения для них. Эта проблема была быстро решена переносом SunOS) на RISC архитектуры.

    В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, DEC Alpha, AVR, MIPS, PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-инструкции процессоров

    С отказом компаний Apple и Sun от использования серии CISC-процессоров Motorola 68xxx (в пользу PowerPC у Apple и в пользу SPARC у Sun), приведшем к фактическому прекращению производства серии, а также с переводом внутренней архитектуры серии x86 на суперскалярную RISC-архитектуру, подавляющее большинство существующих процессоров используют архитектуру RISC. Позже Apple перешла на CISC. Также такие архитектуры как MIPS и DEC Alpha прекратили своё существование.[1][2]

    См. также

    • MISC
    • Усовершенствованные RISC-вычисления

    Ссылки

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *