33. Комп’ютери зі скороченим набором команд

Анализ процесса выполнения программ, написанных на языках высокого уровня, создал предпосылки для разработки нового типа архитектуры процес­соров — RISC-архитектуры. Ее особенностью является использование сокра­щенного набора машинных команд. Анализ показал, что доминирующими в программе являются операторы присваивания, а это означает, что основные усилия следует направить на оптимизацию операций передачи переменных. Кроме того, в программах встречается очень много условных выражений IF и операторов цикла LOOP, что требует разработки эффективного механизма управления, оптимизирующего конвейерную организацию выполнения ма­шинных команд. В то же время анализ форм адресации показал, что вполне возможно добиться высокой производительности работы процессора, разме­щая операнды в регистрах.

Результаты этих исследований и определили ключевые характеристики RISC-компьютеров: небольшое количество команд фиксированного формата в наборе, большое количество регистров или применение компиляторов, оп­тимизирующих использование регистров, упор на рациональную организа­цию работы конвейера операций.

Само по себе сокращение набора команд уже создает достаточао Хорошие пред­посылки для повышения эффективности работы конвейера, поскольку алго­ритм выполнения команд становится более регулярным и лучше предсказуе­мым. Кроме того, RISC-архитектура лучше подходит для применения задер­жанной технологии выполнения команд перехода и перекомпоновки других команд в программе, что также повышает эффективность работы конвейера.

Стех пор как в начале 1950-х годов были созданы первые вычислительные машины с хранимой программой, принципиально новых идей в области ар­хитектуры и структурной организации компьютерных систем/ было не так много, и пересчитать их можно на пальцах.

Концепция семейства машин. Эта концепция была внедрена впервые спе­циалистами из IBM при проектировании семейства S/360 в 1964 году. За ними последовали разработчики из DEC со своим семейством PDP-8. Кон­цепция семейства предусматривает определенное дистанцирование архитек­туры компьютера от его структурной и схемной реализации. Потребителю предлагается функциональный ряд компьютеров, разных по производитель­ности и стоимости, но имеющих одинаковую архитектуру.

Микропрограммное управление. Этот принцип предложен М. Уилксом (M.V. Wilkes) в 1951 году и реализован в семействе IBM S/360 в 1964 году. Микропрограммирование облегчает разработку и упрощает структуру уст­ройства управления процессора, а также хорошо сочетается с концепцией семейства компьютеров.

Применение кэш-памяти. Реально впервые реализовано в модели IBM 360/85 в 1968 году. Включение уровня кэш-памяти в иерархию памяти компьютера позволило существенно повысить его производительность.

Конвейерная организация. Такая организация позволила на практике реа­лизовать принцип совмещения операций при последовательном характере обработки команд программы. Примерами могут служить конвейер выпол­нения машинных команд и векторная обработка.

Использование в единой системе множества процессоров. Эта концепция имеет множество интерпретаций, отличающихся целевым назначением и структурной организацией.

К этому списку сейчас можно добавить и одну из наиболее интересных но­вейших идей, потенциально сулящую переворот в наших взглядах на архитекту­ру компьютеров — идею сокращенного набора команд. Переход на RISC-архитектуру означает кардинальное изменение многих существующих взглядов на принципы построения процессоров.

Хотя специалисты и не руководствуются единым общепринятым критерием принадлежности определенной системы к типу RISC-систем, большинство из них со­глашается с тем, что следует учитывать указанные ниже особенности организации:

большое количество универсальных регистров в составе процессора или ориентация на применение компиляторов, оптимизирующих использование регистров;

ограниченное количество относительно простых команд в наборе;

перенос центра усилий при проектировании на оптимизацию конвейера операций.