Понятие архитектуры МП. Особенности архитектур вычислительных систем CISC, RISC, MIPS, sparc. Области применения

Понятие архитектуры микропроцессора включает в себя систему команд и способы адресации, возможность совмещения выполнения команд во времени, наличие дополнительных устройств в составе микропроцессора, принципы и режимы его работы.

Понятие архитектуры микропроцессора определяет его составные части, а также связи и взаимодействие между ними. Архитектура включает:

- структурную схему МП;

- программную модель МП (описание функций регистров);

- информацию об организации памяти (емкость и способы адресации памяти);

- описание организации процедур ввода/вывода.

RISC - (компьютер с сокращённым набором команд) - архитектура процессора, в которой быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения - короче. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками).

Характерные особенности RISC-процессоров:

- Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.

- Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров.

- Большое количество регистров общего назначения (32 и более).

- Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово.

- Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC-процессоре исполняется микропрограммами, в RISC-процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещённый в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений.

- После того, как процессоры архитектуры x86 были переведены на суперскалярную RISC-архитектуру, можно сказать, что большинство существующих ныне процессоров основаны на архитектуре RISC.

CISC - (компьютер с комплексным набором команд) - концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств: - нефиксированное значение длины команды;

- арифметические действия кодируются в одной команде; - небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Формально, все х86-процессоры являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром.Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC. Любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. В итоге, такой подход и позволил поднять производительность CPU.

Недостатки CISC архитектуры: - высокая стоимость аппаратной части; - сложности с распараллеливанием вычислений.

MIPS - микропроцессор, разработанный компанией MIPS Computer Systems в соответствии с концепцией проектирования процессоров RISC (то есть для процессоров с сокращенным набором команд). Ранние модели процессора имели 32-битную структуру, позднее появились его 64-битные версии. Существует множество модификаций процессора, включая MIPS I, MIPS II, MIPS III, MIPS IV, MIPS V, MIPS32 и MIPS64, из них действующими являются MIPS32 (для 32-битной реализации) и MIPS64 (для 64-битной реализации). MIPS32 и MIPS64 определяют как набор регистров управления, так и набор команд.

В настоящее время различные реализации MIPS используются в основном во встроенных системах, например, в смартфонах, маршрутизаторах, шлюзах, а также в игровых консолях, таких как Sony PlayStation 2 и Sony PlayStation Portable.

Главной идеей было увеличить производительность процессора, используя удлиненный конвейер. В традиционной не оптимизированной реализации отдельная команда в программе должна быть (почти всегда) завершена, прежде, чем запустится другая; в то время как в конвейерной архитектуре последовательные команды могут выполняться параллельно. Одним из главных препятствий в использовании конвейера был тот факт, что некоторые команды, такие как деление, выполняются намного дольше, и, вследствие этого, центральному процессору приходится ждать, прежде, чем передать на конвейер следующую команду. Единственное решение этой проблемы — использовать серию блокировок, позволяющих определенным стадиям конвейера индицировать, что они заняты и, в этом случае, приостанавливать вышестоящие в потоке команды.

SPARC - (масштабируемая архитектура процессора) - архитектура RISC-микропроцессоров, первоначально разработанная в 1985 году компанией Sun Microsystems.

Является наиболее широко распространённой RISC-архитектурой, отражающей доминирующее положение компании на рынке UNIX-рабочих станций и серверов. В отличие от большинства RISC архитектур SPARC использует регистровые окна, которые обеспечивают удобный механизм передачи параметров между программами и возврата результатов.