CISC и RISC архитектуры

7. CISC и RISC архитектуры.

CISC – Complete instruction set computer. Архитектура с полным набором команд.

До середины 80х годов все процессоры имели архитектуру с полным набором команд.

При использовании ЯВУ появляется проблема семантического разрыва между операциями, которые реализуют ЯВУ и операциями машинных команд. В CISC для преодоления этого семантического разрыва усложняется архитектура проца, вводятся дополнительные аппаратные средства, реализующие машинные команды, схожие по функциям с операторами ЯВУ. Расширяется система команд и система адресации операндов, усложняется устройство управления.

Недостатки CISC:

1.  Сложно организовать эффективный конвейер ввиду различных длин команд.

2.  реализация сложных команд требуют увеличения управляющей памяти в П-автомате.

3.  микропрограммы сложных команд занимают до 60% ПМК (которую приходится увеличивать), при этом их доля в программах примерно 0,2%.

4.  на операции вызова процедур и возврата требуется 15-45% вычислительной нагрузки.

5.  большая часть операций сводится к операциям присваивания.

RISC – Reduced instruction set computer. Архитектура с сокращенным набором команд.

1980г Дэвид Паттерсон и Карло Сэквин.

Главное назначение этих процов – организация эффективного конвейера, что возможно только при одинаковых длинах команд (для однообразности выборки). Упрощенное устройство управления работает быстрее, что возможно при сокращении числа команд в системе команд процессора, при этом команды должны использовать небольшое число способов адресации (внутри процессора).

Для сокращения времени выборки операндов надо, чтобы они хранились не в ОП, а в регистровой памяти.

Особенности RISC:

1. выполнение всех команд за 1 цикл 9кроме команд обращения к ОП).

2. стандартная однословная длина всех команд, определяется разрядностью шины данных.

3. малое число команд <128.

4. малое число форматов команд - до 4.

5. малое число способов адресации – до 4.

6. доступ к памяти только с помощью команд LOAD/SAVE.

7. УУ – автомат с жесткой логикой.

8. большое число регистров - регистровый файл.

9. операции возможны только с операндами, которые расположены в регистровой памяти

Для оптимизации использования регистров RISC применяют программные и аппаратные способы.

Программная оптимизация: компилятор выделяет каждой переменной виртуальный регистр, число которых ограничено, затем виртуальные регистры отображаются на ограниченное число физических регистров. Виртуальные регистры, использование которых не перекрывается, отображаются на один и тот же физический регистр. Если во фрагменте программы физических регистров недостаточно, то их роль выполняют ячейки памяти. Задача оптимизации заключается в определении каким переменным в данной точке программы выгоднее выделить физический регистры. Применяется метод «раскраски графа». {Суть: имеется граф, необходимо раскрасить узлы так, чтобы соседние имели разный цвет и общее число цветов было минимальным. Роль узлов выполняют виртуальные регистры, если два виртуальных регистра одновременно применяются в одном фрагменте программы, то они соединяются ребром. Производится раскраска в n цветов. Узлы которые не раскрасились, отображаются на ячейки памяти.}

Аппаратная оптимизация: позволяет сократить временные задержки при работе с процедурами, т. к. наибольшее время в программах на ЯВУ расходуется на вызовы и возвраты из процедур, что связано с пересылкой большого числа переменных. Используются регистровые окна, упрощающие передачу параметров в подпрограмму. Регистровый файл разбивается на группы регистров, которые называются окнами. Каждой процедуре выделяется отдельное окно в регистровом файле. Все окна имеют одинаковый размер и состоят из трех полей. Левое поле каждого регистрового окна одновременно является правым полем предшествующего ему окна. А среднее поле служит для хранения локальных переменных.

Каждой вызванной процедуре выделяется окно непосредственно следующее за окном вызвавшей ее процедуры. Последние k регистров поля j одновременно являются правыми k регистрами окна j+1. Если процедура, занимающая окно j обращается к процедуре, которой должно быть назначено окно j+1, то она может передать при вызове k аргументов. Т. е. k регистров сразу доступны вызванной процедуре безо всяких пересылок.

Эти самые k общих регистров называю регистрами параметров.

Преимущества и недостатки RISC:

+ Одинаковая длина команд упрощает построение конвейера.

+ Унификация команд позволяет реализовать конвейер без организации простоев.

+ Сокращенное число команд и способов адресации позволяет упростить УУ, что дает возможность на кристалле процессора построить его в виде автомата с жесткой логикой, что повышает быстродействие работы УУ.

+ Упрощенное УУ уменьшает стоимость, повышает надежность, занимает меньше времени на разработку.

+ Большое число регистров ускоряет выполнение арифметических и логических операций за счет исключения обращения к ОП.

+Использование регистровых окон ускоряет передаче параметров.

- Сокращение числа команд приводит к увеличению размера программы при реализации того же алгоритма (~на 30% по сравнению с CISC). Это в свою очередь увеличивает трафик между памятью и процессорм.

- Большой регистровый файл усложняет декодирование, увеличивается время доступа к регистрам

- Устройство с жесткой логикой не гибко. При внесении изменений надо переделывать всю схему.

- Короткие команды усложняют обращение к большому адресному пространству. Исключается прямая адресация (за исключением регистров).