Depth #00 15 октября 1997

От фанаря - процессоры RISC-ПУTЬ В БУДУЩEE.

            RISC-ПУТЬ В БУДУЩЕЕ         
                                        
               Закон 2O/8O              
                                        
 Появившиеся  в начале семидесятых годов
микропроцессоры,а  вернее  разработанные
на их основе компьютеры,казалось,не смо-
гут  соперничать  с профессиональной вы-
числительной     техникой.      Действи-
тельно,8-разрядные  микро-ЭВМ на микроп-
роцессорах     8O8O,Z-8O     или    65O2
(Apple,TRS-8O,Vic-2O  и  т.п.)  не могли
составить   какой-либо   конкуренции  ни
большим   компьютерам,которые  выпускали
фирмы  IBM,CDC  или Burrought,ни 16-раз-
рядным  мини-ЭВМ фирм DEC,Data General и
HewlettPacKard. Картина стала меняться с
появлением  16-разрядных  микропроцессо-
ров INTEL8O86 и 32-разрядных Motorola 68
OOO.  Персональные компьютеры,использую-
щие  эти микропроцессоры (IBM PC и Apple
Macintosh),уже  вполне  могли конкуриро-
вать с большими ЭВМ десятилетней давнос-
ти.                                     
                                        
 C 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 эф-
фективность  выполнения  инструкций.Раз-
рабатывалась   оптимальная  система  ко-
манд.И  в  этом  направлении продвижение
оказалось наиболее значительным.        
                                        
 Поначалу  считалось,что чем богаче сис-
тема   команд,тем  эффективнее  работает
компьютер.  И создатели микропроцессоров
шли  именно по этому пути.Каждая команда
при  интерпритации  порождала выполнение
многих  (порой  десятков  и  даже сотен)
элементарных  микрокоманд.Поэтому основ-
ное  время,затрачиваемое  на  разработку
нового микропроцесора,уходило на отладку
микрокоманд.Причем, как  правило, даже в
серийных   экземплярах  микропроцессоров
рано  или  поздно  выявились те или иные
ошибки.Вспомним,что   ошибки   микрокода
процессоров  INTEL  8O386  и  8O486 были
устранены   только  через  год  с лишним
после их появления на рынке.            
                                        
 Микропроцессоры традиционной архитекту-
ры     (фирм  INTEL, Motorola,  National
Semiconductors,Zilog)  получили название
CISC    (Complicated   Instruction   Set
Computer-использующие сложный  набор ко-
манд).                                  
                                        
 Интенсивное тестирование работы различ-
ных  процессоров при выполнении разнооб-
разных  задач,проведенное многими разра-
ботчиками   компьютеров,показало,что   к
процессорам  очень  хорошо  применим за-
кон,который  формулируется  так:"2O про-
центов  населения  выпивает 8O процентов
пива".В  нашем сличае это означает,что в
основном при вычислениях компьютеры "пе-
ремалывают"  одни  и те же инструкции из
небольшого  подмножества  полной системы
команд.В первую очередь это команды чте-
ния-записи  в  память  и команды перехо-
дов.Поэтому  для  ускорения  работы  ес-
тественно оптимизировать выполнение имен
но   этих  команд.Что  же  касается  ос-
тальных, более сложных и редко использу-
емых,то  от большинства из них можно во-
обще отказаться.                        
                                        
          ВСЕ ГЕНИАЛЬНОЕ-ПРОСТО         
                                        
 Микропроцессоры новой архитектуры полу-
чили  название  RISC (Reduced Instuction
Set Computer-компьютеры с сокращенным до
минимума    набором   команд).При   этом
предприняты специальные меры для ускоре-
ния исполнения этих немногих команд.Тех-
нология  разработки таких микропроцессо-
ров,компьютеров на их основе и математи-
ческого  обеспечения для них,стала назы-
ваться RISC-технология.                 
                                        
 Какие  же  команды  необходимы,а какими
можно  и  нужно пожертвовать во имя ско-
рости?  Ответ очевиден:если за счет сок-
ращения  числа  команд "сложную" команду
(например, "сложить константу с содержи-
мым  памяти")  окажеться возможным заме-
нить на последовательность более простых
("загрузить  содержимое  ячейки памяти в
регистр","прибавить константу к содержи-
мому    регистра"),которые   выполняются
быстрее,значит эта "сложная" команда мо-
жет  быть  с успехом исключена. В первую
очередь "сокращение" касается команд об-
ращения  к памяти.В RISC-процессорах как
правило,используются  только  команды пе
ресылок память-регистр и регистр-память.
Все арифметические,логические операции и
операции переходов осуществляются только
с данными,находящимися в регистрах.     
                                        
 Еще  в 1975г. главный архитектор супер-
компьютеров CDC и создатель самых произ-
водительных в мире компьютеров Cray аме-
риканский инженер Сеймур Крэй писал:"Ре-
гистры  делают  машинные  команды  очень
простыми.Это          нечто         уни-
кальное.Большинство   машин   используют
системы  команд с гораздо большим разно-
образием 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 семидеся-
тых.Первый  же  настоящий RISC-компьютер
был  создан  в  1979г.  фирмой IBM. Этот
32-разрядный компьютер,получивший назва-
ние  IBM 8O1,был построен на микросхемах
ЭСЛ,имел    32    регистра   набор   ко-
манд,большинство  которых исполнялось за
один машинный такт.                     
                                        
 Сам  термин  RISC был впервые предложен
профессором  Давидом  Паттерсоном в  его
курсе лекций по микропроцессорной техни-
ке,прочитанном  в 198Ог.в Калифорнийском
университете  в Беркли.Там же была нача-
та  разработка процессора RISC I,которая
была  закончена  в  1982г.Еще  два  года
спустя  появился  процессор  RISC II.Его
основные  характеристики: разрядность-32
бита,число  регистров-138, тактовая час-
тота-3 Мгц.Даже без специальных компиля-
торов  производительность нового микроп-
роцессора  при выполнении операций с це-
лыми числами оказалась выше,чем у широко
распространенного    суперминикомпьютера
VAX 11/78O.                             
                                        
 Вскоре  после  начала  работ в Беркли,в
Стен фордском университете группа специ-
алистов  под  руководством Джона Хеннеси
приступила к разработке проекта,получив-
шего   название   MIPS   (Microprocessor
without InterlocKed Pipeline Stages-мик-
ропроцессор с конвейером без задержек; в
то  же время аббревиату ра MIPS означает
"миллион  операций  в  секунду").  Стен-
фордский MIPS был 32-разрядным микропро-
цессором с 16 регистрами и тактовой час-
тотой  2Мгц. Этот процессор стал основой
семейства   коммерческих  RISC-процессо-
ров,выпускаемых  фирмой  с  тем же назва
нием- MIPS.                             
                                        
 Процессоры с RISC-архитектурой выпусти-
ли         и         другие         фир-
мы:Ridge,Pyramid, HewlettPacKard. Особое
место (как с технической, так и экономи-
ческой  точки зрения) среди них занимает
семейство     микропроцессоров     SPARC
(Scalable Processor ARChitecture-масшта-
бируемая архитектура процессора),раз ра-
ботанных фирмой Sun Microsystems.На при-
мере  микропроцессоров  именно этого се-
мейства  мы  и  познакомимся подробнее с
архитектурой RISC.                      
                                        
            АРХИТЕКТУРА RISC            
                                        
 Микропроцессоры  SPARC  образуют  целое
семейство  и  выпускаются рядом фирм.Они
находят   применение   в   самых  разных
компьютерах от портативных до высокоско-
ростных векторных супер-мини.В этих мик-
ропроцессорах  использованы все основные
идеи, обеспечивающие  высокую производи-
тельность:                              
                                        
 -большинство команд исполняются за один
цикл процессора;                        
                                        
 -полностью  отсутствует или очень огра-
ничен  объем  микрокода,т.к.микрокоманды
добавляют лишний уровень сложности, при-
водящий к потере производительности;    
                                        
 -работа с памятью ограничивается опера-
циями  пересылки память-регист.  Все ос-
тальные  операции производятся с данными
в регистрах;                            
                                        
 -упрощен    набор    инструкций,преиму-
щественно фиксированного формата,и резко
ограничено число методов адресации памя-
ти;                                     
                                        
 -примеменяется    ковейер,  т.е.  набор
инструкций устроен так,что позволяет од-
новременно исполнять несколько команд;  
                                        
 -RISC-процессоры используют,как минимум
32   регистра  и  кеш-память  достаточно
большого объема;                        
                                        
 -сложные  функции от аппаратуры перехо-
дят   к   матобеспечению,другими  слова-
ми,именно  в программах содержаться пос-
ледовательности    команд,   выполняющие
сложные функции,которые в CISC-процессо-
рах   исполняют  микрокоманды,зашитые  в
процессор.                              
                                        
 Посмотрим,что   дает   реализация  этих
приНципов. Проанализируем выигрыш в ско-
рости  количественно. Производительность
микропроцессора   может  быть   выражена
формулой:                               
                                        
     P=S/(I*C),где P-производительность,
S-тактовая  частота процессора,I-коэффи-
циент,учитывающий  увеличение  числа вы-
полняемых инструкций за счет моделирова-
ния   сложных   команд(отсутствующих   в
RISC-процессорах),C-среднее число циклов
процессора,  необходимых  для выполнения
инструкций.   Сравним     быстродействие
32-битных     CISC-процессоров     INTEL
8O386,Motorola  68OЗO  и RISC-процессора
SPARC.                                  
                                        
 Параметры  S,I,C и P для этих трех про-
цессоров приведены в таблице.           
                                        
процессор  S,Мгц  I,%  C,инс  P,инс/сек 
                                        
                                        
Motorola    25    1OO   5.2     4.8     
 68OЗO                                  
                                        
INTEL       2O    11O   4.4     5.2     
8O386                                   
                                        
SPARC       25    12O   1.3     16      
                                        
 Итак,мы  видим,что  "при прочих равных"
RISC-процессор  далеко  опережает  CISC.
Поэтому  производители  CISC-процессоров
вводят в свои новые процессоры RISC-эле-
менты.   Например,CISC-разработка  фирмы
INTEL-процессор  i486,сохраняя совмести-
мость  со  своими  предшественниками,все
больше приближается к RISC:у него значи-
тельно   сокращено  количество  машинных
тактов,затрачиваемых  на  исполнение ос-
новных команд,введена кеш-память,улучше-
на  организация  конвейерной   обработки
команд.                                 
                                        
 Что касается RISC-процессоров семейства
SPARC,то  особенность их архитектуры га-
рантирует  полную совместимость матобес-
печения  для  микропроцессоров этого се-
мейства. Микропроцессоры этого семейства
могут  иметь  различное  количество  ре-
гистров, различную  аппаратную  реализа-
цию,но  все  они обеспечивают выполнение
одних и тех же программ.                
                                        
 Эти   микропроцессоры   на  сегодняшний
день самые   распространенные   в   мире
RISC-процессоры.Разработанные фирмой Sun
Microsystems они по лицензиям этой фирмы
выпускаются такими известными производи-
телями       интегральных       схем,как
Fujitsu,Texas  Instruments Cypress и ря-
дом других.                             
                                        
 Производятся как микропроцессоры с так-
товой частотой 2OМгц,выполненные по тех-
нологии КМОП,находящие применение в пор-
тативных  компьютерах типа Laptop и наи-
более  дешевых  рабочих  станциях,так  и
ЭСЛ-микропроцессорные комплексы с такто-
вой   частотой   8OМгц   (фирма  Bipolar
Integrated        Technology),производи-
тельность которого достигает 65 MIPS.Ве-
дутся    разработки    микропроцессорных
комплексов  с производительностью до 25O
MIPS.