Типы архитектур процессоров
Классификация:
С точки зрения взаимодействия операционного и управляющего блоков:
Регистровая. Предполагает наличие большого регистрового файла внутри БИС процессора, поле памяти с произвольной записью и выборкой информации. Количество регистра общего назначения может достигать 512 штук.
Достоинства: малая длина команд, очень мало обращений к оперативной памяти, большая скорость работы (при решении задач определенного класса).
Недостаток: при частой смене программ в мультипрограммном режиме эффективность использования снижается, потому что необходимо бесконечно перегружать содержимое регистра общего назначения. Трудно расположить на кристалле большое количество регистров.
Стековая. Использует поле памяти с упорядоченной последовательностью записи и выборки информации. Данная архитектура как самостоятельная не используется, только служит дополнением к другим видам архитектур.
Достоинство: эффективность при работе с подпрограммами.
Недостаток: стек мал и быстро переполняется.
Типа память-память (или ориентированная на память). В этом случае и регистр общего назначения, и стек размещаются в оперативной памяти. То есть операнды после их обработки в АЛУ заносятся в память, а не сохраняются в регистрах внутри процессора. Если ОЗУ расположена на одном кристалле с процессором и имеет высокое быстродействие, эффективность использования архитектуры высока. Если ОЗУ вне кристалла – использования нет смысла.
Достоинства: неограниченная свобода в расположении данных, быстрое контекстное переключение (при мультипрограммном режиме).
Недостатки: большая длина команды, ОЗУ ТОЛЬКО на одном кристалле с процессором.
Ортогональная регистровая. Является развитием регистровой архитектуры. Все регистры делятся на блоки, и каждый блок служит для сохранения одного состояния процессора.
Чем больше ортогональных направлений (разных), тем быстрее происходит переключение между задачами в многозадачном режиме.
С точки зрения взаимного расположения команд и данных:
Фон Неймана. Изначально архитектура предложена фон Нейманом. Команды и данные располагаются в одном поле памяти, и нет указания на то, какой именно тип информации в ячейке памяти. Распознанием занимает интерпретатор (чаще всего это сам процессор).
Гарвардская. Команды и данные находятся в разных сегментах памяти (адресные пространства): DSEG и CSEG. Основное достоинства: повышенное быстродействие (можно параллельно обращаться к командам и данным), каждое поле имеет свои механизмы внутренние.
Смешанная (На примере организации КЕШ-памяти).
С точки зрения набора команд:
CISC (с полным набором команд)
RISC (сокращенный набор команд)
VLIW (со сверхдлинным командным словом)
21022012 Лекция 4
Современные технологии программирования ориентированы на языки высокого уровня. Основной целью является облегчение процесса программирования. Однако сложные операторы языков высокого уровня существенно отличаются от простых машинных команд. Данная проблема имеет название – «проблема семантического разрыва». Следствие проблемы становится недостаточно эффективное выполнение программ на вычислительной машине. Поэтому для преодоления проблемы СР предложено три подхода: CISC, RICS, VLIW.
CISC (X86)
В вычислительных машинах с этой архитектурой проблема СР решается за счёт расширения набора команд и дополнения сложными командами. Основоположником CISC архитектуры является фирма IBM (начиная от IBM-360). Для Intel – это процессоры 8086 и Pentium.
Основные характерные черты:
Небольшое количество регистров общего назначения (8 или 16).
Большое количество машинных команд (256 и выше). Некоторые команды аппаратно реализуют сложные операторы ЯВУ.
Разнообразие способов адресации операндов (порядка 10-12: прямая, стековая, регистровая, непосредственная, …)
Множество форматов команд различной разрядности (одно-, двух-, трех-, четырех-, без- адресные).
Усложнение аппаратуры процессора (в первую очередь устройства управления, чаще всего микропрограммным способом).
Наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.
При этом доля команд особенно сложных не превышает 10-20%, а иногда 0,2%. Ёмкость памяти микропрограмм при поддержке сложных команд может увеличиваться на 60%.
RISC
Термин RISC впервые был использован Д.Паттерсоном и Д.Дитцелем в 1980 году. Основная идея заключается в том, что список команд вычислительной машины ограничивается до некоторого значения. Это наиболее часто используемые простые команды. Эти команды оперируют с данными, расположенными в регистрах процессора. Обращение к памяти допускается только с помощью специальных команд чтения/записи. Впервые элементы RICS появились в CDC660 и СуперЭВМ компании Cray Research. Современные RISC архитектуры – Alpha (DEC) и серия PA (Hewlett Packard), Power PC.
Основные характерные черты:
Выполнение всех или 75% процентов команд за один машинный цикл – это время, в течение которого производится выборка двух операндов из памяти, обработка их в АЛУ и запоминание результатов в регистре.
Одинаковая длина команд (а точнее однословная – 16 бит = длине слова и ширине шины данных).
Ограниченное число команд (не более 128).
Малое число форматов команд (не более 4).
Малое число способов адресации (2-3).
Осуществление доступа к памяти посредством специальных команд чтение/записи (минимизация обращения к внешней памяти)
Все команды (за исключением чтения/записи) используют внутрипроцессорные, межрегистровые пересылки.
Устройство управления реализовано на жёсткой логике.
Большой файл регистров общего назначения. Количество регистров общего назначения может достигать 512 (от 32 до 512).
Использование механизмов перекрывающихся регистровых окон.
Несовместимость с CISC архитектурой.
Основные достоинства: УУ занимают всего 6-10% площади кристалла, тем самым освобождая места для других узлов процессора или других устройств (кэш). Унифицированный набор команд. Ориентация на потоковую конвейерную обработку. Унификация размера команд и длительности их выполнения.
Все эти факторы положительно сказываются на быстродействии процессора. Быстродействие RISC больше, чем CISC.
Недостатки: на выполнение ряда функций приходится тратить несколько команд RICS вместо одной CISC. Это удлиняет код программы примерно на 30% (по сравнению с CISC), а так же увеличивает загрузку памяти и увеличивает трафик между оперативной памятью и процессором.
Гибридная архитектура
Называется она CISC архитектура на основе RISC ядра.
В процессор встраивается аппаратный транслятор, который преобразует длинные x86 команды в короткие RISC команды (ROP).
На примере процессора К5, К6, К7 (AMD):
К5
Х86 команды поступают на дешифратор или аппаратный транслятор. Дешифратор каждую команду х86 превращает в одну-четыре ROP. Хранятся в буфере, а затем назначаются на исполнение одного из исполнительных устройств. Исполнительное устройство – это АЛУ какого-то вида. В К5 их 6.
К6
Кэш команд первого уровня. Буфер планировщика в динамике анализирует и изменяет выбранную для исполнения последовательность команд, обеспечивая максимальную загрузку исполнительных устройств. Одновременно может обрабатываться до 6 ROP в следующих узлах ядра: узел сохранения, узел загрузки, два целочисленных АЛУ, узел перехода, блок MMX, блок операции с плавающей точкой или запятой.
Процессор К7 (Athlon AMD) может декодировать х86 команд в 6 ROP операции, после декодирования ROP попадают в буфер, который одновременно содержит 72 ROP (в три раза больше) и выдаёт 9 ROP на 9 исполнительных блоков.
Механизм перекрывающихся регистровых окон.
При большом количестве регистров ухудшается манёвренность микропроцессора, особенно это сказывается при переходе на подпрограммы. И при реализации многозадачности (когда нужно часто сохранять и восстанавливать содержимое регистра). Механизм перекрывающихся регистровых окон предназначен для уменьшения числа обращений к регистровой памяти и сокращения межрегистровых передач.
Р Окно процедуры В егистр временного хранения В |
Регистр локальных переменных В |
Р Окно процедуры А егистр параметров В,Регистр временного хранения А |
Регистр локальных переменных А |
Регистр параметров А |
… |
Регистр глобальных переменных |
Каждой процедуре динамически выделяется группа регистров фиксированной длины – окно процедуры. Окна последовательно выполняющихся процедур перекрываются, благодаря чему возможна передача параметров от одной процедуры к другой. Каждое окно состоит из трёх подгрупп регистров: регистры временного хранения процедуры, регистры локальных переменных процедуры, регистры параметров, переданных процедуре при её вызове и результатов при возврате.
*Используются регистры общего назначения