🗊Презентация Организация ЭВМ и систем. Переход от CISC к чертам RISC архитектуры в семействе IA32. (Лекция 6)

Организация ЭВМ и систем Лекция № 6 Переход от CISC к чертам RISC архитектуры в семействе IA32 Основный черты RISC – процессоров Характеристика современных RISC – процессоров, основные направления развития

Экскурс в историю В 70-е годы ученые выдвинули революционную по тем временам идею создания микропроцессора, "понимающего" только минимально возможное количество команд. Замысел RISC- процессора (Reduced Instruction Set Computer, компьютер с сокращенным набором команд) родился в результате практических исследований частоты использования команд программистами, проведенных в 70-х годах в США и Англии. Их непосредственный итог - известное "правило 80/20": в 80% кода типичной прикладной программы используется лишь 20% простейших машинных команд из всего доступного набора.

Основные особенности RISC - процессоров Сокращенный набор команд (от 80-150 команд). Большинство команд выполняется за 1 такт. Большое количество регистров общего назначения. Наличие жестких многоступенчатых конвейеров. Все команды имеют простой формат и используются немногие способы адресации. Наличие вместительной раздельной КЭШ памяти. Применение оптимизирующих компиляторов, которые анализируют исходный код и частично меняют порядок следования команд.

Первый "настоящий" RISC-процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20 - 50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC-процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами. Первый "настоящий" RISC-процессор с 31 командой был создан под руководством Дэвида Паттерсона из Университета Беркли, затем последовал процессор с набором из 39 команд. Они включали в себя 20 - 50 тыс. транзисторов. Плодами трудов Паттерсона воспользовалась компания Sun Microsystems, разработавшая архитектуру SPARC с 75 командами в конце 70-х годов. В 1981 г. в Станфордском университете стартовал проект MIPS по выпуску RISC-процессора с 39 командами. В итоге была основана корпорация Mips Computer в середине 80-х годов и сконструирован следующий процессор уже с 74 командами. Примерно в то же время Intel разработала серию 80386, последних "истинных" CISC-процессоров в семействе х86. В последний раз повышение производительности было достигнуто только за счет усложнения архитектуры процессора: из 16-разрядной она превратилась в 32-разрядную, дополнительные аппаратные компоненты поддерживали виртуальную память и добавился целый ряд новых команд.

RISC – процессоры 3-го поколения Ultra SPARC (ф. Sun Microsystem). PowerPC 620 (ф. IBM/Motorola). Alpha 21164 (ф. DEC). R 10000 (ф. Mips Technology). PA-8000 (ф. Hewlett Packard). Самыми крупными разработчиками RISC процессоров считаются Sun Microsystems (архитектура SPARC), IBM (многокристальные процессоры Power, однокристальные PowerPC), Digital Equipment (Alpha), Mips Technologies (семейство Rxx00), а также Hewlett-Packard (архитектура PA-RISC).

Основные черты RISC – процессоров 3-го поколения Все ЦП являются 64-х разрядными и суперскалярными (запускаются не менее 4-х команд за такт). Встроенные конвейерные блоки арифметики с плавающей точкой. Многоуровневая КЭШ память. Большинство RISC процессоров кэшируют предварительно дешифро-ванные команды. Применяется алгоритм динамического прогнози-рования ветвлений и метод переназначения регистров (позволяет реализовать внеочередное выполнение команд). Изготавливаются по КМОП технологии с 4-мя слоями металлизации.

Структура процессора Alpha 21064

I-cache – КЭШ команд. I-cache – КЭШ команд. IRF – регистровый файл целочисленной арифметики. F-box – устройство арифметики с плавающей точкой. E-box – устройство целочисленной арифметики (7 ступеней конвейера). I-box – командное устройство(управляет КЭШ команд, выборка и дешифрация команд). A-box – устройство управления загрузкой/ сохранением данных. Управляет процессом обмена данными м/у IRF, FRF, КЭШ данных и внешней памятью. Write Buffer – буфер обратной записи. D-cache – КЭШ данных. BIU – интерфейсный блок, с помощью которого подключаются внешняя КЭШ память, размером 128 Кб - 8 Мб.

Процессор Alpha 21264 Процессор Alpha 21264 отличается значительной новизной по сравнению с предшественником 21164. Он обладает кэш-памятью первого уровня большего объема, дополнительными функциональными блоками, более эффективными средствами предсказания ветвлений, новыми инструкциями обработки видеоданных и широкой шиной. Alpha 21264 читает до четырех инструкций за один такт и может одновременно исполнять до шести инструкций. Самое большое его отличие от модели 21164 - это способность выполнять команды (впервые для Alpha) с изменением их очередности (Out-of-Order).

Сравнительные характеристики Alpha 21164 и 21264

Процессоры PA-RISC компании Hewlett-Packard Процессор PA-8000 вобрал в себя все известные методы ускорения выполнения команд. В его основе лежит концепция "интеллектуального выполнения", которая базируется на принципе внеочередного выполнения команд. Это свойство позволяет PA-8000 достигать пиковой производительности благодаря широкому использованию механизмов автоматического разрешения конфликтов по данным и управлению аппаратными средствами. Эти средства хорошо дополняют другие архитектурные компоненты, заложенные в структуру кристалла: большое число исполнительных функциональных устройств, средства прогнозирования направления переходов и выполнения команд по предположению, оптимизированная организация кэш-памяти и высокопроизводительный шинный интерфейс.

Пиковая производительность современных RISC - процессоров

Области применения RISC - процессоров Рабочие станции высшего ценового класса (12-15 тыс.$). Работают под ОС VMS, Unix. Персональные рабочие станции (3-7 тыс. $). ОС: Windows NT, Solaris. Серверы. RISC ПК.

Вопросы для самоконтроля С чем связано появление RISC-процессоров? Основные особенности RISC-процессоров. Назовите фирмы-разработчики RISC процессоров. Архитектурные особенности процессоров Alpha. Архитектурные особенности процессора PA-8000. Области применения RISC-процессоров.