RISC-ПУТЬ В БУДУЩЕЕ
Закон 2O/8O
Появившиеся в начале семидесятых годов
микропроцессоры,а вернее разработанные
на их основе компьютеры,казалось,не смо-
гут соперничать с профессиональной вы-
числительной техникой. Действи-
тельно,8-разрядные микро-ЭВМ на микроп-
роцессорах 8O8O,Z-8O или 65O2
(Apple,TRS-8O,Vic-2O и т.п.) не могли
составить какой-либо конкуренции ни
большим компьютерам,которые выпускали
фирмы IBM,CDC или Burrought,ни 16-раз-
рядным мини-ЭВМ фирм DEC,Data General и
HewlettPacKard. Картина стала меняться с
появлением 16-разрядных микропроцессо-
ров INTEL8O86 и 32-разрядных Motorola 68
OOO. Персональные компьютеры,использую-
щие эти микропроцессоры (IBM PC и Apple
Macintosh),уже вполне могли конкуриро-
вать с большими ЭВМ десятилетней давнос-
ти.
C первого дня создания микропроцессоров
постоянно велись поиски путей повышения
их производительности.Совершенствовались
технологии,увеличивалось количество
транзисторов на кристалле и плотность
их расположения,тактовая частота и эф-
фективность выполнения инструкций.Раз-
рабатывалась оптимальная система ко-
манд.И в этом направлении продвижение
оказалось наиболее значительным.
Поначалу считалось,что чем богаче сис-
тема команд,тем эффективнее работает
компьютер. И создатели микропроцессоров
шли именно по этому пути.Каждая команда
при интерпритации порождала выполнение
многих (порой десятков и даже сотен)
элементарных микрокоманд.Поэтому основ-
ное время,затрачиваемое на разработку
нового микропроцесора,уходило на отладку
микрокоманд.Причем, как правило, даже в
серийных экземплярах микропроцессоров
рано или поздно выявились те или иные
ошибки.Вспомним,что ошибки микрокода
процессоров INTEL 8O386 и 8O486 были
устранены только через год с лишним
после их появления на рынке.
Микропроцессоры традиционной архитекту-
ры (фирм INTEL, Motorola, National
Semiconductors,Zilog) получили название
CISC (Complicated Instruction Set
Computer-использующие сложный набор ко-
манд).
Интенсивное тестирование работы различ-
ных процессоров при выполнении разнооб-
разных задач,проведенное многими разра-
ботчиками компьютеров,показало,что к
процессорам очень хорошо применим за-
кон,который формулируется так:"2O про-
центов населения выпивает 8O процентов
пива".В нашем сличае это означает,что в
основном при вычислениях компьютеры "пе-
ремалывают" одни и те же инструкции из
небольшого подмножества полной системы
команд.В первую очередь это команды чте-
ния-записи в память и команды перехо-
дов.Поэтому для ускорения работы ес-
тественно оптимизировать выполнение имен
но этих команд.Что же касается ос-
тальных, более сложных и редко использу-
емых,то от большинства из них можно во-
обще отказаться.
ВСЕ ГЕНИАЛЬНОЕ-ПРОСТО
Микропроцессоры новой архитектуры полу-
чили название RISC (Reduced Instuction
Set Computer-компьютеры с сокращенным до
минимума набором команд).При этом
предприняты специальные меры для ускоре-
ния исполнения этих немногих команд.Тех-
нология разработки таких микропроцессо-
ров,компьютеров на их основе и математи-
ческого обеспечения для них,стала назы-
ваться RISC-технология.
Какие же команды необходимы,а какими
можно и нужно пожертвовать во имя ско-
рости? Ответ очевиден:если за счет сок-
ращения числа команд "сложную" команду
(например, "сложить константу с содержи-
мым памяти") окажеться возможным заме-
нить на последовательность более простых
("загрузить содержимое ячейки памяти в
регистр","прибавить константу к содержи-
мому регистра"),которые выполняются
быстрее,значит эта "сложная" команда мо-
жет быть с успехом исключена. В первую
очередь "сокращение" касается команд об-
ращения к памяти.В RISC-процессорах как
правило,используются только команды пе
ресылок память-регистр и регистр-память.
Все арифметические,логические операции и
операции переходов осуществляются только
с данными,находящимися в регистрах.
Еще в 1975г. главный архитектор супер-
компьютеров CDC и создатель самых произ-
водительных в мире компьютеров Cray аме-
риканский инженер Сеймур Крэй писал:"Ре-
гистры делают машинные команды очень
простыми.Это нечто уни-
кальное.Большинство машин используют
системы команд с гораздо большим разно-
образием методов адресации памяти,чем те
что разработал я. По моему мнению,верный
путь-это простота.Я целиком за простоту.
Если система команд слишком сложна,я ее
просто не понимаю".
Итак,идейная основа RISC-технологии бы-
ла заложена еще в середине семидеся-
тых.Первый же настоящий RISC-компьютер
был создан в 1979г. фирмой IBM. Этот
32-разрядный компьютер,получивший назва-
ние IBM 8O1,был построен на микросхемах
ЭСЛ,имел 32 регистра набор ко-
манд,большинство которых исполнялось за
один машинный такт.
Сам термин RISC был впервые предложен
профессором Давидом Паттерсоном в его
курсе лекций по микропроцессорной техни-
ке,прочитанном в 198Ог.в Калифорнийском
университете в Беркли.Там же была нача-
та разработка процессора RISC I,которая
была закончена в 1982г.Еще два года
спустя появился процессор RISC II.Его
основные характеристики: разрядность-32
бита,число регистров-138, тактовая час-
тота-3 Мгц.Даже без специальных компиля-
торов производительность нового микроп-
роцессора при выполнении операций с це-
лыми числами оказалась выше,чем у широко
распространенного суперминикомпьютера
VAX 11/78O.
Вскоре после начала работ в Беркли,в
Стен фордском университете группа специ-
алистов под руководством Джона Хеннеси
приступила к разработке проекта,получив-
шего название MIPS (Microprocessor
without InterlocKed Pipeline Stages-мик-
ропроцессор с конвейером без задержек; в
то же время аббревиату ра MIPS означает
"миллион операций в секунду"). Стен-
фордский MIPS был 32-разрядным микропро-
цессором с 16 регистрами и тактовой час-
тотой 2Мгц. Этот процессор стал основой
семейства коммерческих RISC-процессо-
ров,выпускаемых фирмой с тем же назва
нием- MIPS.
Процессоры с RISC-архитектурой выпусти-
ли и другие фир-
мы:Ridge,Pyramid, HewlettPacKard. Особое
место (как с технической, так и экономи-
ческой точки зрения) среди них занимает
семейство микропроцессоров SPARC
(Scalable Processor ARChitecture-масшта-
бируемая архитектура процессора),раз ра-
ботанных фирмой Sun Microsystems.На при-
мере микропроцессоров именно этого се-
мейства мы и познакомимся подробнее с
архитектурой RISC.
АРХИТЕКТУРА RISC
Микропроцессоры SPARC образуют целое
семейство и выпускаются рядом фирм.Они
находят применение в самых разных
компьютерах от портативных до высокоско-
ростных векторных супер-мини.В этих мик-
ропроцессорах использованы все основные
идеи, обеспечивающие высокую производи-
тельность:
-большинство команд исполняются за один
цикл процессора;
-полностью отсутствует или очень огра-
ничен объем микрокода,т.к.микрокоманды
добавляют лишний уровень сложности, при-
водящий к потере производительности;
-работа с памятью ограничивается опера-
циями пересылки память-регист. Все ос-
тальные операции производятся с данными
в регистрах;
-упрощен набор инструкций,преиму-
щественно фиксированного формата,и резко
ограничено число методов адресации памя-
ти;
-примеменяется ковейер, т.е. набор
инструкций устроен так,что позволяет од-
новременно исполнять несколько команд;
-RISC-процессоры используют,как минимум
32 регистра и кеш-память достаточно
большого объема;
-сложные функции от аппаратуры перехо-
дят к матобеспечению,другими слова-
ми,именно в программах содержаться пос-
ледовательности команд, выполняющие
сложные функции,которые в CISC-процессо-
рах исполняют микрокоманды,зашитые в
процессор.
Посмотрим,что дает реализация этих
приНципов. Проанализируем выигрыш в ско-
рости количественно. Производительность
микропроцессора может быть выражена
формулой:
P=S/(I*C),где P-производительность,
S-тактовая частота процессора,I-коэффи-
циент,учитывающий увеличение числа вы-
полняемых инструкций за счет моделирова-
ния сложных команд(отсутствующих в
RISC-процессорах),C-среднее число циклов
процессора, необходимых для выполнения
инструкций. Сравним быстродействие
32-битных CISC-процессоров INTEL
8O386,Motorola 68OЗO и RISC-процессора
SPARC.
Параметры S,I,C и P для этих трех про-
цессоров приведены в таблице.
процессор S,Мгц I,% C,инс P,инс/сек
Motorola 25 1OO 5.2 4.8
68OЗO
INTEL 2O 11O 4.4 5.2
8O386
SPARC 25 12O 1.3 16
Итак,мы видим,что "при прочих равных"
RISC-процессор далеко опережает CISC.
Поэтому производители CISC-процессоров
вводят в свои новые процессоры RISC-эле-
менты. Например,CISC-разработка фирмы
INTEL-процессор i486,сохраняя совмести-
мость со своими предшественниками,все
больше приближается к RISC:у него значи-
тельно сокращено количество машинных
тактов,затрачиваемых на исполнение ос-
новных команд,введена кеш-память,улучше-
на организация конвейерной обработки
команд.
Что касается RISC-процессоров семейства
SPARC,то особенность их архитектуры га-
рантирует полную совместимость матобес-
печения для микропроцессоров этого се-
мейства. Микропроцессоры этого семейства
могут иметь различное количество ре-
гистров, различную аппаратную реализа-
цию,но все они обеспечивают выполнение
одних и тех же программ.
Эти микропроцессоры на сегодняшний
день самые распространенные в мире
RISC-процессоры.Разработанные фирмой Sun
Microsystems они по лицензиям этой фирмы
выпускаются такими известными производи-
телями интегральных схем,как
Fujitsu,Texas Instruments Cypress и ря-
дом других.
Производятся как микропроцессоры с так-
товой частотой 2OМгц,выполненные по тех-
нологии КМОП,находящие применение в пор-
тативных компьютерах типа Laptop и наи-
более дешевых рабочих станциях,так и
ЭСЛ-микропроцессорные комплексы с такто-
вой частотой 8OМгц (фирма Bipolar
Integrated Technology),производи-
тельность которого достигает 65 MIPS.Ве-
дутся разработки микропроцессорных
комплексов с производительностью до 25O
MIPS.
Other articles:
