Несоответствие стандартов подходов, принципов языка высокого уровня
и ВМ Фон-Неймана и языка низкого уровня называется – семантическим
разрывом. Преодолеть такой разрыв пытаются путём расширения системы
команд, дополняя эту систему командами, реализующими сложные операторы
языка высокого уровня, но на аппаратном уровне.
ВМ, где реализованы такие средства, т.е. машины с полным набором команд
называются – CISC (Complex Instruction Set Computer)
Попытки с помощью CISCов преодолеть семантический разрыв приводят к:
- Усложнению архитектуры ВМ, особенно УУ, что сказывается на производительности машины в целом
- В CISC сложно организовать эффективный конвейер команд,
который является одним из наиболее перспективных путей увеличения
производительности ВМ. Анализ программ, получаемых после компиляции с
языка высокого уровня определил следующие закономерности:
- Реализация сложных команд эквивалентных операторам
языка высокого уровня требует увеличения ёмкости управления памяти в
микропрограммном УУ. Микропрограммы сложных команд могут занимать до
60% объёма ПЗУ
- В откомпилированной программе операторы языка высокого
уровня организованы в виде процедур, поэтому во время вызова процедуры
и возврата из неё приходится от 15% до 45% вычислительной нагрузки. При
вызове процедуры, вызывающая программа передаёт ей некоторое количество
аргументов. В 98% случаев их число не превышает 6-ти. Примерно такое же
положение складывается и с параметрами, которые процедура возвращает.
Более 80% переменных, используемых программой – локальные.
Почти половину операций в ходе вычислений составляет
операция присваивания. Анализ приведенных результатов требует
пересмотра традиционных архитектурных решения, следствием чего является
появление RISC архитектуры.
RISC ( Reduced Instruction Set Computer)
- Регистров становится много
- Команды одинаковой длины (для конвейера)
- Унификация каналов передачи
Главные усилия в RISC направлены на построение
эффективного конвейера команд. Все команды извлекаются из ОП, при этом
ни одна команда не должна находиться в состоянии ожидания. Идеальным
считается вариант, когда любой этап цикла команда выполняется в течении
одного такта. Это условие можно реализовать для этапа выборки. Для
этого необходимо, чтобы все команда имели стандартную длину равную ШД.
Унификация времени исполнения команд более сложная задача
т.к. на ряду с обращениями к регистрам существует обращение к ОП.
Одинаковая длина команда – это не всё. Сокращение самого набора команд.
Сокращение в 80%-90% случаев используется 10%-20% команд от общего
списка. К наиболее часто используемым действиям относится пересылка
данных, а также алгебраические и логические операции. Сократим число
команд, имеющих доступ к ОП. Для этого увеличим количество регистров
общего назначения.
Концепция RISC архитектуры сводится к следующим положениям:
- Выполнение всех или хотя бы 75% команд за 1 цикл
- Стандартная
однословная длина всех команд, равная естественной длине слова данных
(операндов) и ширине ШД (это допускает унифицированную поточную
обработку всех команд)
- Количество команд не более 128-ми (реально 70)
- Малое количество форматов команд (не более 4-ёх)
Команды используют внутрипроцессорные межрегистровые пересылки. Регистров общего назначения минимум 32, максимум больше 500.
Достоинства RISC:
- Сравнительно простая структура УУ, которая в результате занимает в RISC процессоре не более 10% площади кристалла.
- Высокое быстродействие, связанное с унификацией набора команд и ориентации на потоковую конвейерную обработку.
Недостатки RISC:
- Сокращенное число команд. На
выполнение ряда функций придётся тратить несколько команд. Это удлиняет
код команды. В среднем длина одной и той же команды на RISC архитектуре
больше аналогичной на CISC в среднем на 30%.
- Большое количество регистров общего назначения. С увеличением числа регистров усложняется процедура их адресации.
- УУ – устройство с жесткой логикой.
