Микропроцессоры типа RISC.

Лекция №22

Микропроцессоры типа CISC,RISC,VLIV, MISC

План

Микропроцессоры типа CISC.

Микропроцессоры типа RISC.

3. Микропроцессоры типа VLIW.

4. Микропроцессоры типа MISC.

Микропроцессор — процессор (устройство, отвечающее за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде), реализованный в виде одной микросхемы или комплекта из нескольких специализированных микросхем (в противоположность реализации процессора в виде электрической схемы на элементной базе общего назначения или в виде программной модели). Первые микропроцессоры появились в 1970-х и применялись в электронных калькуляторах, в них использовалась двоично-десятичная арифметика 4-х битных слов. Вскоре их стали встраивать и в другие устройства, например терминалы, принтеры и различную автоматику. Доступные 8-битные микропроцессоры с 16-битной адресацией позволили в середине 1970-х создать первые бытовые микрокомпьютеры.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров (МП). Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

· выборку команд программы из основной памяти;

· дешифрацию команд;

· выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в командах;

· управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между устройствами ввода/вывода;

· отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний с этих устройств;

· управление и координацию работы основных узлов МП.

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки информации, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Джон фон Нейман придумал схему постройки компьютера в 1946 году.

Этапы цикла выполнения:

1) процессор выставляет число, хранящееся в регистре счетчика команд, на шину адреса, и отдает памяти команду чтения;

2) выставленное число является для памяти адресом; память, получив адрес и команду чтения, выставляет содержимое, хранящееся по этому адресу, на шину данных, и сообщает о готовности;

3) процессор получает число с шины данных, интерпретирует его как команду (машинную инструкцию) из своей системы команд и исполняет ее;

4) если последняя команда не является командой перехода, процессор увеличивает на единицу (в предположении, что длина каждой команды равна единице) число, хранящееся в счетчике команд; в результате там образуется адрес следующей команды;

5) снова выполняется п. 1.

Данный цикл выполняется неизменно, и именно он называется процессом (откуда и произошло название устройства).

Команды центрального процессора являются самым нижним уровнем управления компьютером, поэтому выполнение каждой команды неизбежно и безусловно. Не производится никакой проверки на допустимость выполняемых действий, в частности, не проверяется возможная потеря ценных данных. Чтобы компьютер выполнял только допустимые действия, команды должны быть соответствующим образом организованы в виде необходимой программы.

Скорость перехода от одного этапа цикла к другому определяется тактовым генератором. Тактовый генератор вырабатывает импульсы, служащие ритмом для центрального процессора. Частота тактовых импульсов называется тактовой частотой.

Функционально микропроцессор можно разделить на две части:

ü операционную, содержащую устройство управления (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) и микропроцессорную память (МПП) за исключением некоторых адресных регистров;

ü интерфейсную, содержащую адресные регистры, причем интерфейсная часть опережает операционную, так что выборка очередной команды из памяти выполняется во время выполнения операционной части предыдущей команды.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

ü - Микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

ü - Микропроцессоры типа RISC с усеченным набором системы команд;

ü - Микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим командным словом;

ü - Микропроцессоры типа MISC с минимальным набором системы команд и весьма высоким быстродействием и др.

Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с 1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000.Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

1. Микропроцессоры типа CISC (Complete Instruction Set Computer)

 

Микропроцессор CISC использует набор машинных инструкций, полностью соответствующий набору команд языка ассемблера. Вычисления разного типа в нем могут выполняться различными командами, даже если они приводят к одному результату (например, умножение на два и сдвиг на один разряд влево). Такая архитектура обеспечивает разнообразные и мощные способы выполнения вычислительных операций на уровне машинных команд, но для выполнения каждой команды обычно требуется большое число тактов процессора.

Для CISC-процессоров характерно:

- сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

- большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов;

- большое количество методов адресации;

- большое количество форматов команд различной разрядности;

- преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память.

Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объёма программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоёмкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоёмкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере “выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата”.

Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает “чипы с сокращённой системой команд” (Reduced Instruction Set Computer).