Amazing #02 14 июля 1998

Железо

User'am - Risc процессор - путь в будущее.

(C) 1998 by Spider

Music by Andrew Fer

           RISC-ПУТЬ В БУДУЩЕЕ


              ЗАКОН    20/80

  Появившиеся  в  начале семидесятых годов
микропроцессоры, а вернее разработанные на
их  основе компьютеры, казалось, не смогут
соперничать  с  профессиональной  вычисли-
тельной  техникой.  Действительно, 8- раз-
рядные   микро-  ЭВМ  на  микропроцессорах
8080,  Z-80 или 6502 (Apple, TRS-80, Vic20
и.т.п ) не могли составить какой-либо кон-
куренции  ни  большим компьютерам, которые
выпускали фирмы IBM, CDC или Burrought, ни
16- разрядным мини-ЭВМ.

  Packard  DEC,  Data  General  и Hewlett-
Packard . Картина стала меняться с появле-
нием  16-разрядных  микропроцессоров INTEL
8086   и  32-разрядных  Motorola  68000  .
Персональные  компьютеры, использующие эти
микропроцессоры    (IBM    PC    и   Apple
Macintosh), уже вполне могли конкурировать
с  большими ЭВМ примерно десятилетней дав-
ности.

  С  первого дня создания микропроцессоров
постоянно велись поиски путей повышения их
производительности.     Совершенствовались
технологии,увеличивалось        количество
транзисторов  на  кристалле и плотность их
расположения, тактовая частота и эффектив-
ность  выполнения инструкций. Разрабатыва-
лась  оптимальная система команд. И в этом
направлени  продвижение оказалось наиболее
значительным.


  Поначалу  считалось, что чем богаче сис-
тема   команд,  тем  эффективнее  работает
компьютер.  Создатели микропроцессоров шли
именно  по  этому пути. Каждая команда при
интерпритации  порождала выполнение многих
(порой десятков и даже сотен) элементарных
микрокоманд.   Поэтому   основное   время,
затрачиваемое    на    разработку   нового
микропроцессора, уходило на отладку микро-
команд.  Причем  , как правило, даже в се-
рийных  экземплярах  микропроцессоров рано
или  поздно  выявились те или иные ошибки.
Вспомним  , что ошибки микрокода процессо-
ров  INTEL  80386  и  80486 были устранены
только через год с лишним после их появле-
ния на рынке.

Микропроцессоры  традиционной  архитектуры
(фирм              INTEL,Motorola,National
Semiconductors,Zilog)   получили  название
CISC  (Complicated Instuction Computer ис-
пользующие сложный набор команд) .

Интенсивное  тестирование работы различных
процессоров при  выполнени и разнообразных
задач,  проведенное многими разработчиками
компьютеров,  показало,  что к процессорам
очень  хорошо применим закон, который фор-
мулируется  так:  "20  процентов населения
выпивает  80 процентов пива". В нашем слу-
чае  это  означает, что в основном при вы-
числениях компьютеры "перемалывают" одни и
те  же  инструкции  из  небольшого подмно-
жества  полной  системы  команд.  В первую
очередь это команды чтения-записи в память
и команды переходов. Поэтому для ускорения
работы естественно оптимизировать выполне-
ние  именно  этих  команд. Что же касается
остальных,  более  сложных и редко исполь-
зуемых, то от большинства можно вообще от-
казаться.

          ВСЕ ГЕНИАЛЬНОЕ-ПРОСТО

  Микропроцессоры  новой архитектуры полу-
чили  название  RISC  (Reduced Instruction
Computer-компьютеры с сокращенным до мини-
мума  набором команд).При этом предприняты
специальные  меры для ускорения исполнения
этих немногих команд. Технология разработ-
ки  таких микропроцессоров, компьютеров на
их  основе   и математического обеспечения
для них, стала называться RISC-технология.

  Какие  же  команды  необходимы, а какими
можно  (и  нужно) пожертвовать во имя ско-
рости? Ответ очевиден: если за счет сокра-
щения числа команд "сложную" команду (нап-
ример,"сложить  константу с содержимым па-
мяти") окажется возможным заменить на пос-
ледовательность  более простых ("загрузить
содержимое ячейки памяти в регистр", "при-
бавить константу к содержимому регистра"),
которые  выполняются  быстрее,  значит эта
"сложная  "  команда  может быть с успехом
исключена  В  первую  очередь "сокращение"
касается команд обращения к памяти. В RISC
-процессорах,как   правило,   используются
только  команды пересылок память-регистр и
регистр-память.  Все арифметические, логи-
ческие  операции и операции переходов осу-
ществляются только с данными, находящимися
в регистрах.

 Еще  в  1975 г. архитектор суперкомпьюте-
ров CDC и создатель самых производительных
в мире компьютеров Cray американский инжи-
нер  Сеймур  Крей  писал: "Регистры делают
машинные команды очень простыми. Это нечто
уникальное.  Большинство  машин использует
системы  команд с гораздо большим разнооб-
разием  методов  адресации памяти, чем те,
что  разработал я. По моему мнению, верный
путь-  это простота.Я целиком за простоту.
Если  система  команд слишком сложна, я ее
просто не понимаю".

  Итак, идейная основа RISC-технологии бы-
ла  заложена  еще в середине семидесятых .
Первый   же  настоящий  RISC-компьютер был
создан  в  1979  г.  фирмой  IBM. Этот 32-
разрядный  компьютер,  получивший название
IBM  801, был построен на микросхемах ЭСЛ,
имел  32 регистра , набор команд, большин-
ство  которых исполнялось за один машинный
такт.

  Сам  термин  RISC  был впервые предложен
профессором Давидом Паттерсоном в его кур-
се  лекций  по  микропроцессорной технике,
прочитанном в 1980 г.в Калифорнийском уни-
верситете в Беркли. Там же была начата ра-
зработка  процессора  RISC I, которая была
закончена  в  1982  г. Еще два года спустя
появился  процессор  RISC II. Его основные
характеристики: разрядность 32 бита , чис-
ло  регистров-138, тактовая частота-3 Мгц.
Даже без специальных компиляторов произво-
дительность   нового  микропроцессора  при
выполнении  операций с целыми числами ока-
залась выше,чем у широко распространенного
супер-миникомпьЮтера VAX 11/780


  Вскоре  после  начала  работ в Беркли, в
Стенфордском   университете   группа  спе-
циалистов  под  руководством Джона Хеннеси
приступила  к разработке проекта, получив-
шего  название MIPS (Miroprocessor without
Interlocked  Pipeline Stages- микропроцес-
сор с конвеером без задержек; в то же вре-
мя  аббревиатура  MIPS  ознаЧает  "миллион
инструкций  в секунду"). Стенфордский MIPS
был 32-разрядным микропроцессором с 16 ре-
гистрами  и  тактовой Частотой 2 Мгц. Этот
процессор  стал  основой семейства коммер-
ческих  RISC-процессоров, выпускаемых фир-
мой с тем же названием-MIPS.

  Процессоры с RISC-архитектурой выпустили
и  другие  фирмы:Ridge,  Pyramid, Hewlett-
Packard.  Особое место (как с технической,
так  и  экономической  точки зрения) среди
них  занимает  семейство  микропроцессоров
SPARC  (Scalable  Processor  ARChitecture-
масштабируемая   архитектура  процессора),
разработанных  фирмой  Sun Microsystem. На
примере микропроцессоров  именно этого се-
мейства  мы познакомимся подробнее с архи-
тектурой RISC.

                 продолжение следует...