Тема 11. Современные процессоры. Их архитектура

RISC (англ. Restricted (reduced) instruction set computer^[1][2] — компьютер с упрощённым набором команд) — архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения команд, чтобы их декодирование было проще, а время выполнения  — короче. Первые RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание команд между несколькими исполнительными блоками).

Наборы команд в более ранних архитектурах для облегчения ручного написания программ на языках ассемблеров или прямо в машинных кодах, а также для упрощения реализациикомпиляторов, выполняли как можно больше работы. Нередко в наборы включались команды для прямой поддержки конструкций языков высокого уровня. Другая особенность этих наборов — большинство команд, как правило, допускали все возможные методы адресации (т. н. «ортогональность системы команд (англ.)») — к примеру, и операнды, и результат в арифметических операциях доступны не только в регистрах, но и через непосредственную адресацию, и прямо в памяти. Позднее такие архитектуры были названы CISC (англ. Complex instruction set computer).

Однако многие компиляторы не задействовали все возможности таких наборов команд, а на сложные методы адресации уходит много времени из-за дополнительных обращений к медленной памяти. Было показано, что такие функции лучше исполнять последовательностью более простых команд, если при этом процессор упрощается и в нём остаётся место для большего числа регистров, за счёт которых можно сократить количество обращений к памяти. В первых архитектурах, причисляемых к RISC, большинство команд для упрощения декодирования имеют одинаковую длину и похожую структуру, арифметические операции работают только с регистрами, а работа с памятью идёт через отдельные команды загрузки (load) и сохранения (store). Эти свойства и позволили лучше сбалансировать этапы конвейеризации, сделав конвейеры в RISC значительно более эффективными и позволив поднять тактовую частоту.

Характерные особенности risc-процессоров

• Фиксированная длина машинных команд (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. архитектура load-and-store).

• Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

• Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-битными 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 помещённый 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), помещённом в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-битного в 32-битный, а также изменить порядок байтов в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

CISC (англ. сomplete instruction set computing, или англ. complete instruction set computer — компьютер с полным набором команд) — концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

• нефиксированное значение длины команды;

• арифметические действия кодируются в одной команде;

• небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Недостатки CISC архитектуры:

• высокая стоимость аппаратной части;

• сложности с распараллеливанием вычислений.

Методика построения системы комманд CISC комплементарна (противоположна, имеется в виду) другой методике - RISC. Различие этих концепций состоит в методах программирования, а не в реальной архитектуре процессора. Практически все современные процессоры эмулируют наборы команд как RISC так и CISC типа.

В рабочих станциях, серверах среднего звена и персональных компьютерах используются процессоры с CISC. Наиболее распространенная архитектура команд процессоров мобильных уcтройств - SOC и мэйнфреймов - RISC. В микроконтроллерах различных устройств RISC используется в подавляющем большинстве случаев.

2) Закон Мура и его применение сегодня

Зако́н Му́ра — эмпирическое наблюдение, сделанное в 1965 году (через шесть лет после изобретения интегральной схемы), в процессе подготовки выступления Гордоном Муром (одним из основателей Intel).

Мур высказал предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые 24 месяца. При анализе графика роста производительности запоминающих микросхем им была обнаружена закономерность: появление новых моделей микросхем наблюдалось спустя примерно одинаковые периоды (18—24 мес.) после предшественников, при этом количество транзисторов в них возрастало каждый раз приблизительно вдвое. Гордон Мур пришел к выводу, что при сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти экспоненциально.

Это наблюдение получило название закон Мура. Существует масса схожих утверждений, которые характеризуют процессы экспоненциального роста, также именуемых «законами Мура». К примеру, менее известный «второй закон Мура»^[1], введённый в 1998 году Юджином Мейераном, который гласит, что стоимость фабрик по производству микросхем экспоненциально возрастает с усложнением производимых микросхем. Так, стоимость фабрики, на которой корпорация Intel производила микросхемы динамической памяти ёмкостью 1 Кбит, составляла 4 млн. $, а оборудование по производству микропроцессора Pentium по 0,6-микрометровой технологии c 5,5 млн. транзисторов обошлось в 2 млрд. $. Стоимость же Fab32, завода по производству процессоров на базе 45-нм техпроцесса, составила 3 млрд. $

В 2007 году Мур заявил, что закон, очевидно, скоро перестанет действовать из-за атомарной природы вещества и ограничения скорости света^[4].

Одним из физических ограничений на миниатюризацию электронных схем является также Принцип Ландауэра, согласно которому логические схемы, не являющиеся обратимыми, должны выделять теплоту в количестве, пропорциональном количеству стираемых (безвозвратно потерянных) данных. Возможности по отводу теплоты физически ограничены.