Architektúra RISC je počítač so zmenšenou sadou pokynov. Ide o typ mikroprocesorovej architektúry, ktorá používa malú optimalizovanú sadu inštrukcií, na rozdiel od predchádzajúcich typov architektúr s rozšírenou sadou algoritmických údajov. Pojem RISC bol premyslený Davidom Pattersonom z projektu Berkeley RISC.

Definícia

Počítač s obmedzenou sadu príkazov je zariadenie, ktorého architektúra inštrukcií (ISA) obsahuje súbor atribútov, ktoré umožňujú, aby mali nižšie cykly CPI ako komplexný príkazový súbor do počítača (CISC). Všeobecným konceptom RISC je koncept počítača, ktorý obsahuje malý súbor jednoduchých a bežných algoritmov, ale nie rozšírenú sadu komplexných a špecializovaných sekvencií. Ďalšou spoločnou črtou RISC je architektúra nakladania /ukladania, kde prístup k pamäti je vykonávaný iba s určitými pokynmi.

História a vývoj

Prvé projekty RISC pochádzali od IBM, Stanford a UC Berkeley v 70. a 80. rokoch dvadsiateho storočia. IBM 801 Stanford MIPS a Berkeley RISC I a II boli vyvinuté s podobnou filozofiou známu ako RISC. Niektoré funkcie dizajnu boli typické pre väčšinu procesorov RISC:

Runtime jedného cyklu: procesory majú CPI - čas sledovať pokyny jedného cyklu. Dôvodom je optimalizácia každého príkazu na CPU.

Spracovanie dopravníkov: technický algoritmus, ktorý umožňuje súčasné vykonávanie častí alebo stupňov inštrukcií pre efektívnejšiu manipuláciu s pokynmi.

Veľký zoznamRegistre: Filozofia návrhu RISC zvyčajne zahŕňa viac registrov, aby sa zabránilo nadmerným interakciám s pamäťou.

Aj keď niekoľko počítačov z 1960 a 70. rokov boli predchádzajúce modely RISC, odkazuje k modernému poňatie 1980 rokov. Najmä dva projekty v Stanforde a Kalifornskej univerzity merali tento pojmový nápad. Stanford MIPS bude komerčne úspešný model, zatiaľ čo Berkeley dal názov celého konceptu komerčne dostupné ako SPARC. Ďalším úspechom tejto éry bola snaha IBM, ktorá v konečnom dôsledku viedla k architektúre Power. S rozvojom týchto oblastí v neskorej 1980, a to najmä v začiatku roka 1990. Prekvital mnoho z týchto projektov sú hlavnou silou na trhu pracovných staníc Unix, rovnako ako vstavané procesory v laserových tlačiarní, routerov a podobných výrobkov ,

Výhody a nevýhody architektúry RISC

Najjednoduchší spôsob, ako zistiť silné stránky a slabé miesta architektúry RISC - je to v porovnaní s predchádzajúcim architektúry CISC. Hlavným účelom architektúry CISC je dokončenie úlohy pre menšie množstvo montážnych liniek. To sa dosiahne vytvorením hardvéru procesora, ktorý dokáže porozumieť a vykonávať množstvo operácií. Pre túto konkrétnu úlohu sa procesor CISC vydáva s konkrétnou inštrukciou (MULT). Pri plnení Tento príkaz načíta dve hodnoty do samostatných registrov, násobí operandmi v module prevedení a ukladá produkt v príslušnom registri. Tak môže byť celá úloha vynásobiť dve čísladoplnená jednou inštrukciou: MULT 2: 3 5: 2. Architektúra CISC a RISC - predchádzajúce a ďalšie architektonické riešenie.
MULT je to, čo je známe ako "zložité poučenie". Príkaz pracuje priamo v pamäťových bankách počítača a nevyžaduje, aby programátor explicitne spôsobil akékoľvek funkcie na stiahnutie alebo ukladanie. Je veľmi podobný príkazu v jazyku vyššej úrovne. Napríklad ak predpokladáme, že a predstavuje hodnotu 2: 3 a b predstavuje hodnotu 5: 2, potom je tento príkaz identický s výrazom C a = a * b. Jednou z hlavných výhod tohto systému je, že kompilátor musí vykonať minimálnu prácu na prekladanie jazyka vysokej úrovne do zostavy. Vzhľadom na to, že dĺžka kódu je relatívne krátka, na uloženie pokynov je potrebná veľmi malá pamäť RAM. Pri porovnávacej analýze architektúry procesorov CISC a RISC je dôraz kladený na implementáciu komplexných pokynov priamo v hardvéri.

Prístup RISC

Procesory RISC používajú iba základné inštrukcie, ktoré sa vykonávajú v jednom cykle. To znamená, že vyššie opísaný MULT tím môže byť rozdelená na tri samostatné príkazy: zaťaženia, ktorý sa pohybuje dáta z pamäťovej banky v prípade PROD, čo je produkt dvoch operandov sa nachádzajú v registroch a sklad, ktorý sa pohybuje dáta z registra v pamäťovej banky , pamäť. Ak chcete vykonať presnú sériu krokov popísaných v prístupe CISC, programátor musí zakódovať štyri montážne linky: LOAD A, 2: 3.
LOAD B, 5: 2.
PROD A, B.
STORE 2: 3 A. Najprv sa to môže zdať ako oveľa menej efektívny spôsob dokončenia operácie, pretože existuje viacriadok kódu a uloženie pokynov na vyrovnanie vyžadujú viac RAM. Kompilátor tiež musí urobiť viac práce na konverziu jazyka vysokoúrovňového jazyka do kódu tohto formulára.

Porovnanie CISC a RISC

Nižšie sú uvedené porovnávacie údaje CISC a RISC Architektúra CISC:

Dôraz na hardvér.

Zahŕňa hodinovo dlhé komplexné pokyny.

Veľkosti malého kódu, vysoké cykly za sekundu.

Tranzistory slúžili na ukladanie zložitých pokynov.

RISC:

Zamerajte sa na softvér.

Skrátená inštrukcia, ktorá nevyžaduje veľa času.

Nízke cykly za sekundu, veľké veľkosti kót.

Vynakladá viac tranzistorov na pamäťových registroch.

Stratégia RISC prináša niekoľko veľmi dôležitých výhod. Vzhľadom k tomu, každý tímový výkon vyžaduje iba jeden cyklus, bude celý program sa realizuje v približne rovnaké množstvo času ako tímu mnohotsylyndrovaya MULT. Tieto krátke inštrukcie "RISC" vyžadujú menej priestorových tranzistorov ako zložité inštrukcie, čo ponecháva viac miesta pre spoločné registre. Keďže všetky pokyny sú vykonávané naraz (napríklad jeden cyklus), spracovanie dopravníka je možné.

Opis procesu

Divízia LOAD a inštrukcie STORE skutočne znižuje množstvo práce, ktorú má vykonávať počítač. Po vykonaní príkazu MULT vo štýle CISC procesor automaticky vymaže registre. Ak je jeden z operandov potrebný na iný výpočet, procesor musíznova načítať dáta z pamäťovej banky na registráciu. V operačnom systéme RISC ostane operand zostáva v registri, až kým na ňu nie je naložená iná hodnota. Prístup CISC sa snaží minimalizovať počet pokynov pre každý program tým, že obetuje počet cyklov na jednu inštrukciu. RISC naopak znižuje počet cyklov v dôsledku pokynov pre každý program.

Zložitosť komerčnej realizácie

Aj napriek výhodám spracovania založených na RISC prebiehali desaťročia pred komerčným hľadaním RISK čipov. To bolo z veľkej časti spôsobené nedostatkom softvérovej podpory. Napriek tomu, že linka Power Macintosh spoločnosti Apple, ktorá používa čipy založené na protokoloch RISC a Windows NT, je kompatibilná so systémom RISC, Windows 3.1 a Windows 95 boli vyvinuté s ohľadom na procesory CISC. Mnoho spoločností nechce riskovať odhalenie technológie RISC. Bez komerčného záujmu vývojári procesorov neboli schopní vyrábať čipy RISC v pomerne veľkých objemoch, aby ich cena bola konkurencieschopná. Ďalšou vážnou prekážkou bola prítomnosť spoločnosti Intel. Napriek tomu, že ich čipy CISC sa stali čoraz ťažkopádnejšími a zložitými v dizajne, spoločnosť Intel mala zdroje na vývoj výkonných procesorov. Hoci čipy RISC mohli v určitých oblastiach prekonať úsilie spoločnosti Intel, rozdiely neboli dostatočne veľké, aby presvedčili zákazníkov, aby zmenili technológiu.

Celkový prínos RISC

Intel x86 je dnes jediným čipom, ktorý má architektúru CISC. Je to v prvom rade dôsledkom pokroku v iných oblastiach výpočtovej techniky. Cena RAM prudko klesla. V roku 1977 si 1 MB DRAM stálo okolo 5 000 USD. Do roku 1994Rovnaké množstvo pamäte stojí len 6 dolárov (s infláciou). Kompilátor technológia tiež stala zložitejšou, takže pomocou RISC RAM a dôraz na softvér boli perfektné.

filozofia inštrukčnú sada

RIZIKÁ falošné pochopenie definície je myšlienka, že postupy sú odstránené, čo vedie k zníženej sadu algoritmov. V priebehu rokov sa postup RISC zvýšil, a teraz mnohí z nich majú širšie spektrum funkcií ako CISC CPU. Termín "zmenšený súbor postupov" znamená opis toho na to, že objem práce vykonanej každým inštrukciu sa zníži (nie viac ako jedna pamäťová cyklus) v porovnaní s zložitých postupov CISC, ktoré vyžadujú niekoľko desiatok cyklov na vykonanie jedného príkazu. RISC architektúra má obvykle špecifický algoritmy a vstupov a výstupov dát.

Formát pokynov

Väčšina z architektúry RISC inštrukcie sú pevné dĺžky (zvyčajne 32 bitov) a jednoduchý kódovanie zjednodušuje vzorku, dekódovanie a vydanie logiku. Jedna z nevýhod 32-bitových inštrukcií je znížiť hustotu kódu, ktorý je nepriaznivý faktor pre vstavaných počítačových staníc a serverov. Architektúra RISC bola pôvodne určená na servis. Ak chcete tento problém vyriešiť niekoľkými architektúrach, kam patrí ARM, Power ISA, MIPS, RISC-V a Adipteva Epiphany, s možnosťou rezaných inštrukcií krátkom formáte alebo príkazy kompresné funkcie. SH5 Tiež je potrebné tento systém, aj keď vyvinutý v opačnom smere, a dodáva dlhšiumultimediálne pokyny pre originálne 16-bitové kódovanie.

Používanie zariadenia

Pri akejkoľvek úrovni celkovej výkonnosti má čip RISC zvyčajne menej tranzistorov navrhnutých pre základnú logiku, čo pôvodne umožnilo návrhárom zvýšiť veľkosť registrov a vnútorný paralelizmus. Ďalšie funkcie, ktoré sa bežne nachádzajú v architektúrach RISC:

Priemerný výkon procesora sa blíži jednému inštrukcii na jeden cyklus.

Jediným formátom inštrukcie je použitie jedného slova s ​​kódom operácie v rovnakých pozíciách pre jednoduchšie dekódovanie.

Všetky registre na všeobecné použitie sa môžu použiť ako zdroj /cieľ vo všetkých pokynoch, čo uľahčuje zostavovanie (registre s pohyblivou rádovou čiarkou sa často ukladajú samostatne).

Jednoduché režimy so zložitým adresovaním vykonávaným postupnosťou príkazov.

​​

Niekoľko typov hardvérových údajov (napríklad reťazec bajtov alebo BCD).

Projekty RISC tiež obsahovali Harvardov pamäťový model, v ktorom sú tímy a dáta koncepčne oddelené. Znamená to, že zmena pamäte, v ktorej je kód uložený, nemôže ovplyvniť pokyny vykonané procesorom (CPU má samostatný príkaz a dátovú vyrovnávaciu pamäť), kým sa nevydá špeciálna synchronizačná inštrukcia. Na druhej strane umožňuje súčasný prístup do vyrovnávacích pamätí, čo často zvyšuje produktivitu.

Funkcie architektúry RISC

V počiatočnej fáze vývoja počítačového programovacieho priemyslubol vykonaný v assemblerovom jazyku alebo strojovom kóde, čo povzbudilo použitie silných a ľahko použiteľných pokynov. Preto sa vývojári CPU snažili navrhnúť algoritmy, ktoré dokážu vykonávať čo najviac práce. S príchodom jazykov na vysokej úrovni architekti začali vytvárať špeciálne pokyny pre priame zavedenie určitých centrálnych mechanizmov. Druhý Celkovým cieľom bolo poskytnúť všetky možné adresovanie režimy pre každý algoritmu známeho ako kolmice na uľahčenie implementácie prekladača.
prístup k dobe bolo, že návrh hardvéru bol zrelší než návrh prekladačov, pretože sám o sebe je tiež realizácia príčinou funkčnosti v hardvéru alebo mikrokód, a to nielen v obmedzenej pamäti kompilátor (alebo jeho kód bol vytvorený). Po zavedení RISC sa tento prístup stal známy ako komplexná kompilácia súboru príkazov alebo CISC. V procesory boli tiež pomerne málo registre z niekoľkých dôvodov:

Veľký počet registrov poskytuje dlhodobú ochranu sa a obnovu obsahu zásobníka stroja a vyžaduje veľký počet bitov ako spetsyfykatorov tímov, čo znamená menej hustý kód.

Registre CPU sú drahšie ako externé pamäťové bunky.

Obmedzená dostupnosť dosiek plošných spojov alebo integrovaných obvodov.

Praktická aplikácia

RISC architektúra procesora sa teraz používa vo veľkom rozsahu platforiem, od chytrých telefónov do tabliet na niektoré zvysoko výkonné superpočítače, ako je napríklad počítač K (vedúci na 500 najlepší zoznam v roku 2011). Začiatkom 21. storočia sa väčšina nízkoprofilových a mobilných systémov spoliehala na architektúru RISC. Príklady:

Architektúra ARM dominuje na trhu s nízkoenergetickými a nízkonákladovými zabudovanými systémami (200-1800 MHz v roku 2014). To je použité v niekoľkých Android menšinových systémov, Apple iPhone a iPad, Microsoft Windows Phone (predtým Windows Mobile), pričom RIM zariadenia (topic.risc.arhitektura), Nintendo Game Boy Advance, DS /3DS a prepínače.

Linka MIPS (v určitom okamihu používané v mnohých počítačoch SGI), a teraz - PlayStation, PlayStation 2 Nintendo 64 (ipb.risc.arhitektura), PlayStation Portable herné konzoly a brány pre priestor takých ako Linksys WRT54G.

Hitachi SuperH, ktorý sa používa v Sega Super 32X, Saturn a Dreamcast (viewtopic.php.risc.arhitektura), teraz vyvinutá a je predávaná ako Renesas SH4.

Atmel AVR sa používa v rôznych produktových radoch: od ručných ovládačov Xbox po BMW.

RISC-V (vbulletin.risc.arhitektura), piaty Berkeley RISC ISA open source 32-bitový adresný priestor, malé jadro celé číslo inštrukčnej sady, experimentálne "zhrnutie» ISA hustôt pre kód a určené pre štandardné a špeciálne rozšírenia.

Pracovné stanice, servery a superpočítače.

MIPS (powered.by.smf.risc.arhitektura) Silicon Graphics (ukončený v roku 2006, ktoré vytvárajú systémy založené na MIPS).

SPARC, Oracle (predtým Sun Microsystems) a Fujitsu (phorum.risc.architecture).

Architektúra IBM Power Architecture, používaná vo väčšine superpočítačov IBM, middleware serverov a terminálových staníc.

PA-RISC Hewlett-Packard(phpbb.risc.architecture), tiež označované ako HP-PA (ukončené na konci roka 2008).

Alpha, ktorý sa používa v single-palubných počítačov, pracovných staníc, serverov a superpočítačov z Digital Equipment Corporation, Compaq HP (prerušené v roku 2007).

RISC-V (powered.by.phpbb.risc.arhitektura), piaty Berkeley RISC ISA, open source, 64 alebo 128 bitov adresný priestor a celý jadro, pokročilé plávajúcou desatinnou čiarkou atomizácia a spracovanie vektorov a je navrhnutý tak, aby sa rozšíril o pokyny pre siete, vstupno-výstupné, spracovanie dát. 64-bitový superskalárny Rocket dizajn je k dispozícii na stiahnutie.

Porovnanie s inými architektúry

Niektoré procesory boli navrhnuté s veľmi malým súborom inštrukcií, ale tieto štruktúry sa výrazne líši od tradičných RISC architektúre, pretože boli uvedené ďalšie údaje, ako je napríklad minimálny súbor príkazov (MISC) alebo Architecture Initiated Architecture (TTA). Architektúra RISC má tradične malý úspech na trhu desktopov a produktov, kde platformy x86 zostávajú dominantnou procesorovou architektúrou. To sa však môže zmeniť, keďže procesory založené na ARM sú vyvinuté pre systémy s vyšším výkonom. Výrobcovia vrátane spoločnosti Cavium, AMD a Qualcomm vydali procesor ARM na báze servera. Spoločnosť ARM spolupracovala s Cray v roku 2017 na vytvorení superpočítača založeného na ARM architektúre. Vodca počítačového priemyslu spoločnosť Microsoft oznámila, že v spolupráci s Qualcomm v roku 2017 je plánovaná na podporu PC verziu Windows 10 zariadení založených na Qualcomm Snapdragon.Tieto zariadenia budú podporovať softvér Win32 na báze x86 pomocou emulátora procesorov x86. Okrem desktopovej arény je ARM RISC architektúra široko používaná v smartfónoch, tabletoch a mnohých formách vstavaného zariadenia. Tiež Intel Pentium Pro (P6) využíva interné procesorové jadro RISC pre svoje procesory. Zatiaľ čo pôvodný vývoj architektúry RISC procesora bol výrazne odlišný od inovatívnych projektov CISC, do roku 2000 sú najvýkonnejšie procesory RISC takmer rovnaké ako procesory s najvyššou výkonnosťou v riadku CISC.