Классификация архитектур микропроцессоров

Развитие архитектуры ЭВМ, направленное на повышение их производительности, во многих случаях идет по пути усложне­ния процессоров путем расширения системы (набора) команд, введения сложных команд, выполняющих процедуры, приближа­ющиеся к примитивам языков высокого уровня, увеличения числа используемых способов адресации и т. д.

Однако расширение и усложнение набора команд порожда­ют и ряд нежелательных побочных эффектов.

Расширение набора команд, увеличение числа способов ад­ресации, введение сложных команд сопровождаются увеличени­ем длины кода команды, в первую очередь, кода операции, что может приводить к использованию «расширяющегося кода опе­рации», увеличению числа форматов команд. Это вызывает ус­ложнение и замедление процесса дешифрации кода операции и других процедур обработки команд. Возрастающая сложность процедур обработки команд заставляет прибегать к микропрог­раммным управляющим устройствам с управляющей памятью вместо более быстродействующих УУ с «жесткой» («схемной») логикой.

Усложнение процессора делает более трудным или даже невыполнимым реализацию его на одном кристалле интеграль­ной микросхемы, что благодаря сокращению длин межсоеди­нений могло бы облегчить достижение высокой производи­тельности.

Анализ кода программ, генерируемого компиляторами языков высокого уровня, показал, что практически используется только ограниченный набор простых команд форматов "регистр, регистр -> регистр" и "регистр <-> па­мять". Компиляторы не в состоянии эффективно использовать сложные ко­манды. Именно это наблюдение способствовало формированию концепции процес­соров с сокращенным набором команд, так называемых RISC-процессоров.

Другим обстоятельством, фактически приведшим к появлению RISC-процессоров, было развитие архитектуры конвейерных процессоров типа Cray. В этих процессорах используются отдельные наборы команд для ра­боты с памятью и отдельные наборы команд для преобразования информа­ции в регистрах процессора. Каждая такая команда единообразно разбива­ется на небольшое количество этапов с одинаковым временем исполнения (выборка команды, дешифрация команды, исполнение, запись результата), что позволяет построить эффективный конвейер процессора, способный каждый такт выдавать результат исполнения очередной команды.

Однако конвейерность исполнения команд породила проблемы, свя­занные с зависимостями по данным и управлению между последовательно запускаемыми в конвейер командами. Например, если очередная команда использует результат предыдущей, то ее исполнение невозможно в тече­ние нескольких тактов, необходимых для получения этого результата. Аналогичные проблемы возникают при исполнении команд перехода по условию, когда данные, по которым производится переход, к моменту де­шифрации команды условного перехода еще не готовы.

Эти проблемы решаются либо компилятором, устанавливающим оче­редность запуска команд в конвейере и вставляющим команды "Нет опе­рации" при невозможности запуска очередной команды, либо специаль­ной аппаратурой процессора, отслеживающей зависимости между коман­дами и устраняющей конфликты.

После обособления RISC-процессоров в отдельный класс, процессоры с традиционными наборами команд стали называться CISC-процессорами с полным набором команд. Как правило, в этих процессорах команды имеют много разных форматов и требуют для своего представления раз­личного числа ячеек памяти. Это обусловливает определение типа коман­ды в ходе ее дешифрации при исполнении, что усложняет устройство управ­ления процессора и препятствует повышению тактовой частоты до уров­ня, достижимого в RISC-процессорах на той же элементной базе.

Очевидно, что RISC-процессоры эффективны в тех областях примене­ния, в которых можно продуктивно использовать структурные способы уменьшения времени доступа к оперативной памяти. Если программа ге­нерирует произвольные последовательности адресов обращения к памяти и каждая единица данных используется только для выполнения одной ко­манды, то фактически производительность процессора определяется вре­менем обращения к основной памяти. В этом случае использование сокра­щенного набора команд только ухудшает эффективность, так как требует пересылки операндов между памятью и регистром вместо выполнения команд "память, память - память". Программист должен учитывать необ­ходимость локального размещения обрабатываемых данных, чтобы при пересылках между уровнями памяти по возможности все данные пересы­лаемых блоков данных принимали участие в обработке. Если программа будет написана так, что данные будут размещены хаотично и из каждого пересылаемого блока данных будет использоваться только небольшая их часть, то скорость обработки замедлится в несколько раз до скорости ра­боты основной памяти. В качестве примера приведем в таблице 1.1 ре­зультаты замеров производительности микропроцессора Alpha 21066 233 Мгц при реализации преобразования Адамара при n = 8 - 20.

Таблица 1.1 Производительность микропроцессора Alpha 2I066 при выполнении преобразования Адамара

Пример показывает, что, пока данные размещаются во внутрикристальной кэш-памяти, производительность высока. Как только объем данных превышает размер кэш-памяти и обращения в память идут в "равномер­но" распределенные по объему адреса, производительность падает более, чем в 7 раз.

Развитие микропроцессоров происходит при постоянном стремлении со­хранения преемственности программного обеспечения (ПО) и повышения производительности за счет совершенствования архитектуры и увеличения тактовой частоты. Сохранение преемственности ПО и повышение произво­дительности, вообще говоря, противоречат друг другу. Процессоры с сис­темой команд х86, относящиеся к классу CISC-процессоров, имеют более низкие тактовые частоты по сравнению с микропроцессорами ведущих ком­паний-изготовителей RISC-процессоров. Существуют приложения, на ко­торых производительность х86 микропроцессоров значительно ниже, чем у RISC-процессоров, реализованных на той же элементной базе. Однако воз­можность использования совместимого ПО для различных поколений х86 процессоров, выпущенных в течение последнего десятилетия, обеспечивает им устойчивое доминирующее положение на рынке.

В настоящее время на основе пионерских разработок компаний NexGen и AMD, подхваченных компанией Intel, предпринята попытка решить пробле­му повышения производительности в рамках архитектуры х86. Эти компа­нии в последних разработках, сохраняя преемственность по системе команд с CISC-микропроцессорами семейства х86, создают новые устройства с исполь­зованием элементов RISC-архитектуры. Примером такого подхода могут слу­жить микропроцессоры Nx586 (NexGen), K5, К6 (AMD), Pentium PRO, Pentium II (Intel), использующие концепцию разделенной (decoupled) архи­тектуры и RISC ядра. В микропроцессор встраивается аппаратный трансля­тор, превращающий команды х86, в команды RISC-процессора. При этом одна команда х86 может порождать до четырех команд RISC-процессора. Исполнение команд происходит как в развитом суперскалярном процессоре. Компания Intel использовала этот подход в своем микропроцессоре Pentium Pro, что весьма укрепило ее позиции на фоне достижений RISC-архитектур.

Суперскалярные процессоры