Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)

Введение
Актуальность. Разработка и создание процессорного устройства относится к числу наиболее значимых событий в XX веке. Процесс их дальнейшего постепенного развития заключался в увеличении числа функций, которые могут ими выполняться, для того, чтобы можно было одновременно совершать большее число различных действий. Это представляло большую значимость, в первую очередь, для программистов, которые разрабатывали все программное обеспечение с использованием языка ассемблер, код которого в некоторых случаях был неудобным и огромным. Очевидно, что сокращение размеров готового кода приводит к существенно меньшему количеству затраченного времени на его выполнение.
Успехи, которые с каждым годом достигались в данной области, были весьма значительными. С каждой новой разработанной и внедренной электронно-вычислительной машиной выразительность программного кода, который был написан с помощью ассемблера, практически ничем не уступала коду, который был написан с применением языков программирования высокого уровня.
В связи с вышесказанным можно с уверенностью утверждать, что изучение вопросов, которые касаются архитектуры системы команд, применяемой в процессорах, всегда обладает высокой актуальностью. На современном этапе в процессе разработку архитектуры новых микропроцессоров принято использовать две наиболее популярные технологии – CISC и RISC, изучение и систематизация данных о которых представляет собой довольно интересную, хотя и не совсем новую, задачу.
Цель данной работы заключается в изучении архитектуры системы команд и классификации CISC и RISC процессоров. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- изучен имеющийся материал по тематике исследования;
- рассмотрена архитектура системы команд;
- проведен анализ и сравнение CISC и RISC архитектур процессоров.
В ходе выполнения данных задач применялись такие методы исследования, как анализ, синтез, описание и обобщение.
В качестве объекта исследования выступает процессор, а предметом исследования являются архитектуры систем команд и CISC и RISC архитектуры процессоров.
Характеристика степени разработанности проблем. Проблема исследования рассматривалась в работах таких известных научных исследователей, как
Дальнейшее изучение данной тематики связано с проведением наиболее полного структурирования всех имеющихся данных по теме исследования.
1 Обзор литературных источников по теме исследования
Наиболее подробно ознакомление с историей развития данного вопроса проведено в книге [1]. Данная книга является своеобразным ключом к прошлому – в ней подробно описываются электрические устройства и первоначальные версии электронно-вычислительных машин, которые использовались в XX веке. Ознакомление с вопросами их устройства позволит с наибольшей эффективностью изучать принципы работы современных изделий.
В работе [2] автор приводит результаты своих достижений в процессе изучения вопросов архитектура вычислительных систем. Изложены базовые сведения и освещен круг вопросов, связанных с построением и функционирование вычислительных устройств и систем. Уделено внимание перспективным идеям и технологиям построения вычислителей. Степина В.В. в своем учебном пособии [3] изучает вопросы, которые касаются современной иерархии компьютерных систем. Автор затрагивает проблемы принципов построения и управления современными микропроцессорными системами, анализирует связь кода с архитектурой набора команд. Автор подчеркивает, что в настоящее время имеется два основных направления, в которых развиваются микропроцессоры, - это RISC и CISC процессоры. Однако уже сейчас начинают разрабатывать наиболее эффективные варианты архитектур, которые планируется использовать при создании микропроцессоров в дальнейшем.
Толстобородов А.П. в своем учебном пособии [4] рассматривает архитектурные принципы построения электронно-вычислительных машин: структуры центрального процессора, системы команд, организации ввода-вывода, управления памятью, способов повышения производительности электронно-вычислительных машин. Большое внимание обращается на то, каким образом особенности построения компьютера вытекают из основных принципов.
В учебном пособии [5], написанном Э. Таненбаумом, который относится к числу наиболее популярных мировых специалистов в сфере информационных систем, рассматриваются вопросы структуры современной электронно-вычислительной машины. В основу данного устройства заложена так называемая идея иерархического построения, при которой определенный уровень должен отвечать за установленную за ним функцию. Данный подход, который относится к числу нетрадиционных, позволяет описать цифровой логический уровень, архитектуру, язык и операционную систему. В рамках последнего издания добавлено достаточно большое число изменений, которые актуализируют данные, использованные в более ранних изданиях. К примеру, актуализированы данные о большинстве машин, приводимых в качестве примеров. Данное учебное пособие направлено на широкий круг читателей . Учебное пособие [6], которое также было выпущено данным автором, должно быть использовано для понимания работы операционных систем. Данное пособие включает информацию о последних результатах в сфере информационных систем. В книге в ясной и увлекательной форме приводится множество важных подробностей по теме проводимого исследования.
Максимов Н.В. в своем пособии [7] приводит наиболее детальную классификацию системы команд процессоров, которые используются в электронно-вычислительных машинах. Кроме этого, автор вкратце описывает основные архитектуры процессоров, которые получили наибольшее распространение в настоящее время (CISC, RISC, MISC, VLIW). Кроме этого, в конце своей работы он приводит набор команд для процессоров серии x86.
Авторы учебного пособия [8] предлагают в нем современный взгляд на процессы разработки цифровых систем. В своей книжке авторы стараются наиболее просто и подробно описать работу микропроцессора. Они подчеркивают, что процесс проектирования цифровых устройств является довольно непростым и интересным. Программирование на языке ассемблера позволяет увидеть внутренний язык, на котором говорит процессор. Микроархитектура является тем самым звеном, которое связывает эти части воедино.
Свистунов С.Г. в своем пособии [9] делает основной упор на изучение основных параметров и зарактеристик такой изветсной системы для вычисления, как pSeries. Автор в своей работе дает понятие архитектуры системы команд и достаточно полно раскрывает все вопросы, которые касаются архитектуры данной системы.
Поздняков П. в своей статье [10] проводит анализ основных предпосылок к модернизации архитектуры RISC и созданию так называемой RISC-V- архитектуры

. Автор приводит основные преимущества и недостатки перехода к данной архитектуре, приводит результаты работы группы объединенных ученых по изучению исследуемого вопроса. В заключение своей работы исследователь один из уже разработанных примеров программного кода, в котором применяется IP-ядро процессора RISC-V, которое было создано такой известной мировой компанией, как Microsemi.
Автор пособия [11] уделяет достаточно большое внимание вопросам, которые касаются изучения организации и принципов работы микропроцессоров, которые применяются, в своем большинстве, в высокопроизводительных вычислительных системах современных серверов (RISC и VLIW). В рамках данного пособия рассмотрены вопросы, которые касаются особенности архитектуры процессоров, которые имеют ограниченный набор функций. Автор проводит наиболее подробное описание их архитектуры.
В книге [12] собран наиболее полный набор информации о последних технических достижениях в сфере вычислительных технологий, в частности процессоров. Автор приводит свое видение понятия архитектуры процессора, а также описывает наиболее популярные на тот момент архитектуры и перечисляет их основные преимущества и недостатки. Кроме этого, приводятся примеры программных кодов, записанных на различных языках программирования.
Таким образом, в результате проведенного литературного анализа можно с уверенностью сказать, что вопросам изучения архитектуры системы команд и процессоров с RISC и CISC архитектурами посвящено достаточно большое число работ. Для наиболее полного ознакомления с данными понятиями необходимо подробно рассмотреть данные понятия, а также провести сравнение архитектуры CISC и RISC процессоров, о чем и пойдет речь в следующей главе.
2 Архитектура системы команд. Классификация процессоров (CISC и RISC)
2.1 Архитектура системы команд
Под системой команд принято понимать определенный набор правил, который заключен в процессор. Фактически система команд представляет собой весь функциональный набор определенной вычислительной машины (ВМ).
Под архитектурой системы команд (АСК) понимаются такие средства ВМ, к которым имеется удаленный доступ у программиста и с которыми он может работать. Архитектуру системы команд принято изображать в виде линии, которая связывает необходимости разработчиков конечного программного продукта и разработчиков самой аппаратуры ВМ (см. рисунок 1). На рисунке 2 показана связь СК с теми факторами, которые оказывают наибольшее влияние на результат вычислений.
Рисунок 1 – Графическое изображение АСК [13]
Рисунок 2 – Связь СК с факторами, которые оказывают наибольшее влияние на результат вычислений [13]
В процессе развития информационных устройств очень хорошо можно проследить изменения, которые возникали в действиях разработчиков, и оценить эффективность их использования. На рисунке 3 показано хронологическое дерево, которое описывает результат данного развития.
К числу основных мотивационных факторов, которые оказывали влияние на осуществление перехода к более современному типу архитектуры, можно отнести:
- количество действий, которые может выполнять вычислительное устройство, а также их трудность;
- область хранения операндов, которая оказывает непосредственное влияние на число и длину конечного адреса обращения, который указывается в адресе любой команды.
Очевидно, что наибольшую важность из этих двух основных факторов имеет первый из них. Однако в процессе осуществления выбора необходимой архитектуры системы команд также важно учитывать и второй фактор.
Рисунок 3 – Хоронологическое дерево, описывающее результат развития АСК [13]
Чаще всего на практике принято выделять такие виды АСК, как:
- стековую АСК;
- аккумуляторную АСК;
- регисторвую АСК;
- АСК, которая имеет выделенный доступ к ячейкам памяти.
Выбор АСК оказывает прямое воздействие на следующие моменты:
- какое количество адресов может находиться в адресной части любой из команд;
- какая длина данных адресов будет использоватья;
- с какой степень сложность можно будет получить доступ к необходимым в рамках заданной задачи операндам;
- каков будет общий размер команды.
Проведем наиболее подробное изучение данных АСК.
2.1.1 Стековый вид архитектуры
Под стеком принято понимать такую память, которая отличается от используемой памяти в вычислительной машине по организационной структуре. Использование стека позволяет сфеормировать достаточно большое число связанных друг с другом на логическом уровне ячеек (см . орисунок 4).
Рисунок 4 – Механизм работы элементов при организации стековой АСК [13]
На рисунке 5 показан пример создания стековой архитектуры системы команд, на котором изображены все базовые узлы и пути передвижения данных.
Рисунок 5 – Пример стековой АСК [13]
Среди основных преимуществ стековых архитектур системы команд приятно выделять существенное уменьшение размера адреса команды. Это становится возможным благодаря тому, что каждая из операций, проводимых в стеке, обязательно проходит через его вершину, что исключает необходимость указания адреса операнда. Это приводит к тому, что получаемый на выходе программный код будет наиболее компактным. Кроме этого, процедура декодирования любой из команд становится достаточно легкой. Также стоит отметить, что разработка компиляторов для данных АСК является достаточно простой.
К основным недостаткам данного вида архитектуры можно отнести:
- отсутствие свободного доступа к ячейкам памяти, что является причиной усложнения работы компилятора по формированию наиболее эффективного кода;
- достаточно трудно решить вопросы с повышением производительности вычислительной машины.
По этим приичнам данный тип архитектуры системы команд достаточно долго относился к числу наиболее неперспективных и применялся, в основном, в ВМ, которые изготавливались в 60-х годах XX века.
2.1.2 Аккумуляторный вид архитектуры
АСК, которые разрабатывались с использованием аккумуляторов, является одной из наиболее ранних. В данном виде архитектуры для того, чтобы сохранять необходимый операнд для проведения требуемой операции, выделяется специальный регистр, который принято называть аккумулятором. В него также заносится результат выполненного действия. Т.к. адрес первого (конкретного) операнда определен заранее, то при описании команды становится достаточным напрямую указать положение второго.
В самом начале каждый из операндов располагаются в базовой памяти и до того как осуществить необходимую операцию необходимо любой из операндов загрузить в аккумуляторный регистр. В случае, если полученный результат не планируется использовать в дальнейших вычислениях, необходимо произвести его сохранение в одной из ячеек памяти.
На рисунке 6 показан пример АСК аккумуляторного типа.
Рисунок 6 – Пример АСК аккумуляторного типа [13]
Среди основных преимуществ данного вида архитектуры можно выделить наименьшую на то время длину команды, а также простоту процессе декодирования