Классификация по составу и сложности команд

Архитектура системы команд

Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определять те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту. АСК можно рассматривать как линию согласования нужд разработчиков программного обеспечения с возможностями создателей аппаратуры вычислительной машины (рис. 1).

Рис. 1. Архитектура системы команд как интерфейс между программным и аппаратным обеспечением.

В конечном итоге, цель тех и других — реализация вычислений наиболее эффективным образом, то есть за минимальное время, и здесь важнейшую роль играет правильный выбор архитектуры системы команд.

В упрощенной трактовке время выполнения программы (Т_выч) можно определить через число команд в программе (N_ком), среднее количество тактов процессора, приходящихся на одну команду (CPI), и длительность тактового периода t_пр:

Т_выч = N_ком ´ CPI ´ t_пр

Каждая из составляющих выражения зависит от одних аспектов архитектуры системы команд и, в свою очередь, влияет на другие (рис. 2), что свидетельствует о необходимости чрезвычайно ответственного подхода к выбору АСК.

Рис. 2. Взаимосвязь между системой команд и факторами, определяющими эффективность вычислений.

Общая характеристика архитектуры системы команд вычислительной машины складывается из ответов на следующие вопросы:

1. Какого вида данные будут представлены в вычислительной машине и в какой форме?

2. Где эти данные могут храниться помимо основной памяти?

3. Каким образом будет осуществляться доступ к данным?

4. Какие операции могут быть выполнены над данными?

5. Сколько операндов может присутствовать в команде?

6. Как будет определяться адрес очередной команды?

7. Каким образом будут закодированы команды?

Классификация архитектур системы команд

В истории развития вычислительной техники как в зеркале отражаются изменения, происходившие во взглядах разработчиков на перспективность той или иной архитектуры системы команд. Сложившуюся на настоящий момент ситуацию в области АСК иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3. Хронология развития архитектур системы команд.

Среди мотивов, чаще всего предопределяющих переход к новому типу АСК, остановимся на двух наиболее существенных. Первый — это состав операций, выполняемых вычислительной машиной, и их сложность. Второй — место хранения операндов, что влияет на количество и длину адресов, указываемых в адресной части команд обработки данных. Именно эти моменты используются в качестве критериев классификации архитектур системы команд.

Классификация по составу и сложности команд

Современная технология программирования ориентирована на языки высокого уровня (ЯВУ), главная цель которых — облегчить процесс программирования. Переход к ЯВУ, однако, породил серьезную проблему: сложные операторы, характерные для ЯВУ, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве вычислительных машин. Проблема получила название семантического разрыва, а ее следствием становится недостаточно эффективное выполнение программ на ВМ. Пытаясь преодолеть семантический разрыв, разработчики вычислительных машин в настоящее время выбирают один из трех подходов и, соответственно, один из трех типов АСК:

· архитектуру с полным набором команд: CISC (Complex Instruction Set Computer);

· архитектуру с сокращенным набором команд: RISC (Reduced Instruction Set Computer);

· архитектуру с командными словами сверхбольшой длины: VLIW (Very Long Instruction Word).

В вычислительных машинах типа CISC проблема семантического разрыва решается за счет расширения системы команд, дополнения ее сложными командами, семантически аналогичными операторам ЯВУ. Основоположником CISC-архитектуры считается компания IBM, которая начала применять данный подход с семейства машин IBM 360 и продолжает его в своих мощных современных универсальных ВМ, таких как IBM ES/9000. Аналогичный подход характерен и для компании Intel в ее микропроцессорах Pentium. Для CISC-архитектуры типичны:

· наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;

· большое количество машинных команд, некоторые из них аппаратно реализуют сложные операторы ЯВУ;

· разнообразие способов адресации операндов;

· множество форматов команд различной разрядности;

· наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.

К типу CISC можно отнести практически все ВМ, выпускавшиеся до середины 1980-х годов, и значительную часть производящихся в настоящее время. Рассмотренный способ решения проблемы семантического разрыва вместе с тем ведет к усложнению аппаратуры ВМ, главным образом устройства управления, что, в свою очередь, негативно сказывается на производительности ВМ в целом. Это заставило более внимательно проанализировать программы, получаемые после компиляции с ЯВУ. Был предпринят комплекс исследований, в результате которых обнаружилось, что доля дополнительных команд, эквивалентных операторам ЯВУ, в общем объеме программ не превышает 10-20%, а для некоторых наиболее сложных команд даже 0,2%. В то же время объем аппаратных средств, требуемых для реализации дополнительных команд, возрастает весьма существенно. Так, емкость микропрограммной памяти при поддержании сложных команд может увеличиваться на 60%.

Детальный анализ результатов упомянутых исследований привел к серьезному пересмотру традиционных решений, следствием чего стало появление RISC-архитектуры. Термин RISC впервые был использован Д. Паттерсоном и Д. Дитцелем в 1980 году. Основные идеи RISC-архитектуры:

- ограничение списка команд ВМ наиболее часто используемыми простейшими командами;

- команды оперируют данными, размещенными только в регистрах процессорах, количество которых может достигать нескольких сотен;

- обращение к памяти допускается лишь с помощью специальных команд чтения и записи.

- резко уменьшено количество форматов команд и способов указания адресов операндов.

Эти решения позволяют существенно упростить аппаратные средства ВМ и повысить их быстродействие. RISC-архитектура разрабатывалась таким образом, чтобы уменьшить Т_выч за счет сокращения CPI и t_пр. Как следствие, реализация сложных команд за счет последовательности из простых, но быстрых RISC-команд оказывается не менее эффективной, чем аппаратный вариант сложных команд в CISC-архитектуре.

Элементы RISC-архитектуры впервые появились в вычислительных машинах CDC 6600 и суперЭВМ компании Cray Research. Достаточно успешно реализуется RISC-архитектура и в современных ВМ, например в процессорах серии РА фирмы Hewlett-Packard, семействе PowerPC и т. п.

Отметим, что в последних микропроцессорах фирмы Intel и AMD широко используются идеи, свойственные RISC-архитектуре, так что многие различия между CISC и RISC постепенно стираются.

Помимо CISC- и RISC-архитектур в общей классификации был упомянут еще один тип АСК — архитектура с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). Концепция VLIW базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. В плане АСК архитектура VLIW сравнительно мало отличается от RISC. Появился лишь дополнительный уровень параллелизма вычислений.

Таблица 1. Сравнительная оценка CISC-, RISC- и VLIW-архитектур

Таблица 1 позволяет оценить наиболее существенные различия в архитектурах типа CISC, RISC и VLIW.