Что означает архитектура процессора типа cisc

СУЭБ ИВТ СО РАН

Словарные статьи в коллекции: (public_cat = Thesaurus of Information Technology: Dictionary Articles )

CISC-архитектура

CISC (Complete Instruction Set Computing) — тип архитектуры процессора с полным набором команд. Основоположником CISC-архитектуры считается фирма IBM с архитектурой IBM/360. При этом подходе выполнение любой сколь угодно сложной команды из системы команд процессора реализовывается аппаратно внутри самого процессора.

Основную идею CISC-архитектуры отражает ее название — «полный набор команд». В данной архитектуре стремятся иметь отдельную машинную команду для каждого возможного (типового) действия по обработке данных.
Исторически CISC-архитектура была одной из первых. Совершенствование процессоров шло по пути создания ВМ, способных выполнять как можно больше разных команд. Это упрощало работу программистов, которые писали программы на языке ассемблера (то есть практически на уровне машинных команд). Использование сложных команд позволяло сократить размер и время разработки программы.

• большое количество различных машинных команд (сотни), каждая из которых выполняется за несколько тактов центрального процессора;
• устройство управления с программируемой логикой;
• небольшое количество регистров общего назначения;
• различные форматы команд с разной длиной;
• преобладание двухадресной адресации;
• развитый механизм адресации операндов, включающий различные методы косвенной адресации.

Литература
• Цилькер Б.Я. Организация ЭВМ и систем: учебник для вузов / С.А. Орлов, Б.Я. Цилькер. — СПб.: Питер, 2011. — 688 с.

Ключевые термины, связанные с термином : «CISC-архитектура»:

1. EPIC-архитектура [ru]
2. RISC-архитектура [ru]
3. VLIW-архитектура [ru]
4. Процессор [ru]
5. Симметричные мультипроцессорные системы [ru]

Литература

© 2013-2024, Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева, Астана © 2007-2024, Новосибирский государственный университет, Новосибирск © 1998-2024, Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск © 1998-2024, Федотов А.М.

ФИТ НГУ НГУ ЕНУ им.Гумилева ИВТ СО РАН

Дата последней модификации: 03.12.2013

Виды популярных архитектур процессоров

В этой статье мы познакомимся с определением архитектуры процессора и самыми распространёнными и актуальными архитектурами.

Прежде чем рассмотреть основные виды архитектур процессоров, необходимо понять, что это такое. Под архитектурой процессора обычно понимают две совершенно разные сущности.

С программной точки зрения архитектура процессора — это совместимость с определённым набором команд (Intel x86), их структуры (система адресации, набор регистров) и способа исполнения (счётчик команд).

Говоря простым языком, это способность программы, собранной для архитектуры x86, работать практически на любой x86-совместимой системе. При этом такая программа не будет работать, например, на ARM системе.

С аппаратной точки зрения архитектура процессора — это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров (Skylake – процессоры Intel Core 5 и 6 поколений).

Если тема кажется сложной, можно начать со статьи о том, чем CPU отличается от GPU.

Виды архитектур

В этой статье мы рассмотрим самые распространенные и актуальные архитектуры с программной точки зрения, кроме узкоспециализированных (графических, математических, тензорных).

CISC

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — тип процессорной архитектуры, в первую очередь, с нефиксированной длиной команд, а также с кодированием арифметических действий в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.

Самый яркий пример CISC архитектуры — это x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

В CISC процессорах одна команда может быть заменена ей аналогичной, либо группой команд, выполняющих ту же функцию. Отсюда вытекают плюсы и минусы архитектуры: высокая производительность благодаря тому, что несколько команд могут быть заменены одной аналогичной, но большая цена по сравнению с RISC процессорами из-за более сложной архитектуры, в которой многие команды сложнее раскодировать.

RISC

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится более простым, а время выполнения — меньшим. Первые RISC-процессоры не имели даже инструкций умножения и деления и не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.

По сравнению с CISC эта архитектура имеет константную длину команды, а также меньшее количество схожих инструкций, позволяя уменьшить итоговую цену процессора и энергопотребление, что критично для мобильного сегмента. У RISC также большее количество регистров.

Примеры RISC-архитектур: PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

В общем случае RISC быстрее CISC. Даже если системе RISC приходится выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, RISC все равно выигрывает в скорости, так как RISC-команды выполняются в 10 раз быстрее.

Отсюда возникает закономерный вопрос: почему многие всё ещё используют CISC, когда есть RISC? Всё дело в совместимости. x86_64 всё ещё лидер в desktop-сегменте только по историческим причинам. Так как старые программы работают только на x86, то и новые desktop-системы должны быть x86(_64), чтобы все старые программы и игры могли работать на новой машине.

Для Open Source это по большей части не является проблемой, так как пользователь может найти в интернете версию программы под другую архитектуру. Сделать же версию проприетарной программы под другую архитектуру может только владелец исходного кода программы.

MISC

MISC (англ. Minimal Instruction Set Computer — «компьютер с минимальным набором команд»).

Ещё более простая архитектура, используемая в первую очередь для ещё большего уменьшения итоговой цены и энергопотребления процессора. Используется в IoT-сегменте и недорогих компьютерах, например, роутерах.

Для увеличения производительности во всех вышеперечисленных архитектурах может использоваться “спекулятивное исполнение команд”. Это выполнение команды до того, как станет известно, понадобится эта команда или нет.

VLIW

VLIW (англ. Very Long Instruction Word — «очень длинная машинная команда») — архитектура процессоров с несколькими вычислительными устройствами. Характеризуется тем, что одна инструкция процессора содержит несколько операций, которые должны выполняться параллельно.

По сути является архитектурой CISC со своим аналогом спекулятивного исполнения команд, только сама спекуляция выполняется во время компиляции, а не во время работы программы, из-за чего уязвимости Meltdown и Spectre невозможны для этих процессоров. Компиляторы для процессоров этой архитектуры сильно привязаны к конкретным процессорам. Например, в следующем поколении максимальная длина «очень длинной команды» может из условных 256 бит стать 512 бит, и тут приходится выбирать между увеличением производительности путём компиляции под новый процессор и обратной совместимостью со старым процессором. Опять же, Open Sourсe позволяет простой перекомпиляцией получить программу под конкретный процессор.

Примеры архитектуры: Intel Itanium, Эльбрус-3.

Виртуальные архитектуры

Но раз нельзя запустить программу одной архитектуры на другой, то откуда берутся магические JAR-файлы, которые можно запустить на любой машине? Это пример виртуальной JVM-архитектуры, которая, по сути, эмулируется на целевой реальной машине. Поэтому достаточно JVM-машины для целевой архитектуры для запуска на ней любой Java-программы. Другим примером виртуальной архитектуры является .NET CIL.

Из минусов виртуальных архитектур можно выделить меньшую производительность по сравнению с реальными архитектурами. Этот минус нивелируется с помощью JIT- и AOT-компиляции. Однако большим плюсом будет кроссплатформенность.

Дальнейшим развитием этих архитектур стали гибридные архитектуры. Например современные x86_64 процессоры хотя и CISC-совместимы, но являются процессорами с RISC-ядром. В таких гибридных CISC-процессорах CISC-инструкции преобразовываются в набор внутренних RISC-команд. Какое дальнейшее развитие получат архитектуры процессора, покажет только время.

Архитектура процессоров RISC и CISC, их достоинства и недостатки

Уланова, Е. И. Архитектура процессоров RISC и CISC, их достоинства и недостатки / Е. И. Уланова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 25 (420). — С. 15-17. — URL: https://moluch.ru/archive/420/93362/ (дата обращения: 08.01.2024).

В статье авторы указывают на две основные архитектуры набора команд, используемые компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники, а именно на архитектуры CISC и RISC. А также в данной статье описываются основные характеристики вышеперечисленных процессорных архитектур, отмечаются их достоинства и недостатки.

Ключевые слова: CISC-архитектура, RISC-архитектура, архитектура, аппаратная часть, программное обеспечение, архитектура процессоров, инструкция, процессор, высокий уровень, вычислительная техника, программная архитектура, расширенный набор.

В процессе эволюции компьютерных технологий были изобретены разнообразные вычислительные технологии. Так ещё в 50-е годы прошлого века были изобретены процессоры. Изначально они были очень громоздкими, но, спустя некоторое время, в производстве появились микропроцессоры, характерной чертой которых являлось то, что они являлись 8-ми битными. Но уже сегодня любая вычислительная техника состоит на базе микропроцессоров. Что же представляет из себя микропроцессор?

Микропроцессор — интегральная схема (ИС), которая реализует функции центрального процессора (ЦП или просто процессора) компьютерной системы. Его разработка стала возможной благодаря развитию полупроводниковой технологии, позволившей создать большое число транзисторов на одном кремниевом кристалле (чипе) [3]. Именно эта конструкция позволяет подсоединить процессор к системной плате компьютера.

Процессор, в свою очередь, является центральным устройством компьютера. Он выполняет программные команды в оперативной памяти и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, подключенным к специальным контактам корпуса микросхемы, то есть выполняет программный код в памяти и управляет работой всех устройств компьютера.

В свою очередь, каждый процессор имеет определенную архитектуру. Архитектуру процессоров можно истолковать как «комбинацию вычислительной архитектуры и её реализацию в процессоре (в кремнии), то если рассматривать в аспекте программирования и аппаратно-технических (и технологических) решений» [1, с. 100]. Стоит обратить внимание на то, что отличие архитектур и их несовместимость обнаруживается именно на уровне машинного кодирования или низкоуровневого программирования (ассемблирования).

С программной точки зрения, архитектура процессоров определяется как «набор регистров, команд, их структуру и способ выполнения, в результате чего, с одной стороны, программы, собранные для процессоров одной архитектуры, могут выполняться практически на всех процессорах одинаковой (или подобной) архитектуры, а с другой — не смогут работать на процессорах иной архитектуры» [1, с. 100].

С аппаратной точки зрения, «архитектура процессора — это набор составных частей, компонентов и технологий, присущих линейке процессоров. Аппаратная часть постоянно совершенствуется, как по микроархитектуре, так и по технологическому процессу» [1, с. 100]. Выпускаются новые поколения процессоров, основной елью которых является увеличение производительности и функциональности.

Поэтому, с точки зрения практического применения процессоров, основной является программная архитектура. На сегодняшний день существует несколько основных архитектур и существенное число процессоров на их основе.

Так, на текущий момент, актуальные и распространённые архитектуры — это CISC, RISC, VLIW и другие, но в данной статье рассмотрим подробнее такие архитектуры процессоров как CISC и RISC, так как большинство вычислительной техники построено на них.

CISC -архитектура

CISC (англ. Complex Instruction Set Computer — «компьютер с полным набором команд») — это первый появившийся в истории тип процессорной архитектуры, с такими отличительными особенностями как:

— имеет нефиксированную длину команд;

— кодирование арифметических действий происходит в одной команде и небольшим числом регистров, многие из которых выполняют строго определенную функцию.

Основоположником CISC-архитектуры считается фирма IBM с архитектурой IBM/360.

Ярким примером CISC архитектуры является x86 (он же IA-32) и x86_64 (он же AMD64).

x86 (Intel 80×86) — аппаратная платформа: архитектура микропроцессора и соответствующий набор инструкций, как разработанных и выпускаемых компанией Intel, так и совместимых с ними процессоров других производителей (AMD, VIA, Transmeta, WinChip и т. д.) [2].

В процессорах CISC одна инструкция может быть заменена аналогичной или группой инструкций, выполняющих одну и ту же функцию. Отсюда и сложность расшифровки. Поэтому концепция проектирования процессоров данной архитектуры характеризуется следующим набором свойств:

— большое количество команд разного формата и длины;

— введение значительно большего количества различных режимов адресации;

— имеет сложную кодировку инструкций.

Процессору с CISC — архитектурой приходится выполнять более сложные инструкции с неодинаковой длиной. Выполнение одиночной CISC-инструкции может происходить быстрее, но обработка несколько таких инструкций параллельно намного сложнее.

Облегчение отладки программ на ассемблере приводит к загромождению микропроцессорного блока узлами. Для увеличения быстродействия следует повышать тактовую частоту и степень интеграции, что вызывает необходимость совершенствования технологии, а, следовательно, требуется более дорогое производство.

Тем не менее архитектура CISC имеет такие преимущества , как:

1. Компактность набора инструкций уменьшает размер программы и уменьшает количество обращений к памяти.
2. Набор инструкций включает поддержку программного обеспечения высокого уровня.

Также не могу не перечислить недостатки архитектуры CISC:

1) Неравномерность потока команд.

2) Высокая стоимость оборудования.

3) Трудности распараллеливания вычислений.

RISC -архитектура

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — процессорная архитектура, в которой быстродействие повышается за счёт упрощения инструкций: их декодирование становится простым, а время выполнения — намного меньше. В первых RISC-процессорах не было инструкций умножения и деления, и они не поддерживали работу с числами с плавающей запятой.

Термин RISC был придуман Дэвидом Паттерсоном из проекта Berkeley RISC.

По сравнению с CISC архитектура RISC имеет определенную длину инструкций, а также уменьшенное количество однотипных инструкций, что позволяет снизить конечную цену процессора и энергопотребление, что принципиально для мобильного сегмента. RISC также имеет несколько регистров.

Примерами RISC-архитектур являются PowerPC, серия архитектур ARM (ARM7, ARM9, ARM11, Cortex).

Достоинства данной архитектуры:

1) высокая тактовая частота;

2) высокая скорость выполнения команд;

3) уменьшение площади кристалла;

4) снижение энергопотребления;

5) снижение цены.

Недостаток этой архитектуры в том, что для выполнения некоторых функций требуется использование нескольких простых команд вместо сложной.

В итоге хотелось бы сказать, что разработка процессорных архитектур характеризуется постоянным стремлением к повышению производительности компьютерных систем. Вышеуказанные архитектуры имеют тенденцию компенсировать недостатки и ограничения других. И в то же время по мере улучшения одних качеств другие могут ухудшаться. Поэтому все современные архитектуры используются в компьютерных системах в зависимости от поставленной задачи и условий применения.

1. Афонин, И. Современные процессорные архитектуры / И. Афонин, Д. Кабачник. — Текст: непосредственный // В записную книжку инженера. — 2020. — № СТА1. — С. 100–104.
2. x86 — это. Что такое x86?. — Текст: электронный // АКАДЕМИК: [сайт]. —URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/9669#:~:text=X86 %20(Intel %2080×86) %20 %20аппаратная,(i286) %2C %2080386 %20(i386) %2C %2080486 %20(i486) (дата обращения: 19.06.2022).
3. Грушин, А. И. МИКРОПРОЦЕ́ССОР / А. И. Грушин. — Текст: электронный // Большая российская энциклопедия: [сайт]. — URL: https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3348546 (дата обращения: 19.06.2022).
4. Процессор. Архитектура процессора. CISC и RISC процессоры. — Текст: электронный // Referat911: [сайт]. — URL: https://www.referat911.ru/Informatika/processor-arhitektura-processora-cisc-i/543270–3281893-place1.html (дата обращения: 19.06.2022).
5. Евкова, А. Процессор персонального компьютера. Назначение, функции, классификация процессора / А. Евкова. — Текст: электронный // evkova.org: [сайт]. — URL: https://www.evkova.org/kursovye-raboty/protsessor-personalnogo-kompyutera—naznachenie-funktsii—klassifikatsiya-protsessora#footnote-23 (дата обращения: 19.06.2022).
6. Самелюк, А. RISC-архитектура процессора / А. Самелюк. — Текст: электронный // FB: [сайт]. — URL: https://fb.ru/article/350271/risc-arhitektura-protsessora (дата обращения: 19.06.2022).

Основные термины (генерируются автоматически): CISC, RISC, архитектура, процессор, IBM, архитектура процессоров, вычислительная техника, аппаратная часть, высокий уровень, программная архитектура.

Ключевые слова

программное обеспечение, архитектура, процессор, вычислительная техника, инструкция, CISC-архитектура, RISC-архитектура, аппаратная часть, архитектура процессоров, высокий уровень, программная архитектура, расширенный набор

CISC-архитектура, RISC-архитектура, архитектура, аппаратная часть, программное обеспечение, архитектура процессоров, инструкция, процессор, высокий уровень, вычислительная техника, программная архитектура, расширенный набор

Похожие статьи

Основные принципы построения современных компьютерных.

Архитектура компьютерных систем предназначена для решения обширного круга задач, направленных на создание комплекса аппаратных и программных средств. Предназначение архитектуры определять основные правила для обеспечения взаимодействия элементов.

Процессором с симметричной регистровой архитектурой.

Архитектура и конструкция процессоров всегда были стремительно развивающимися

Но увеличение кешей и добавление конструкций параллелизма на уровне команд дают слишком

Многоядерные процессоры с гетерогенной архитектурой — процессоры, ядра которых.

Сравнительный обзор распространённых языков. | Молодой ученый

языки программирования высокого уровня. К первой группе относят семейство языков

У опытных программистов на языках высокого уровня, к которым всё-таки относится и язык

Если же программная задержка важна для разрабатываемой системы, то последствия могут.

Разработка обобщенной модели архитектуры нейрокомпьютера

Рассматриваются вопросы разработки обобщенной модели архитектуры концептуально нового поколения вычислительной техники — нейрокомпьютеров, принцип

Показаны особенности структуры вычислителя нейрокомпьютера, благодаря которому достигается высокий уровень.

Архитектура современных многоядерных процессоров

Таким образом, архитектура современных многоядерных процессоров направлена на распараллеливание задач, что обеспечивает дальнейшее развитие вычислительной техники за счет увеличения производительности и уменьшения уровня энергопотребления. Литература

Программно—аппаратные средства защиты автоматизированных.

Саяркин, Л. А. Программно—аппаратные средства защиты автоматизированных систем от

Аппаратно—программные модули доверенной загрузки (АПМДЗ) — основное решение

Некоторые АПМДЗ позволяют блокировать НСД к компьютеру еще на уровне BIOS, что не.

Анализ эффективности применения аппаратных устройств.

МП (Микропроцессор) — процессор, выполненный в виде одной либо нескольких

МП характеризуются областью применения, архитектурой (организация памяти и шин

Недостаток МК — они обладают меньшей производительностью по сравнению с аппаратными решениями.

Аппаратные и программные средства систем реального времени

Любая система реального времени характеризуется набором аппаратных и программных средств. Аппаратные средства делятся на две группы: средства вычислительной техники и специализированные устройства для связи ЭВМ с объектом. В рамках программных средств.

Анализ современных подходов в архитектуре предприятий

В статье рассматриваются современные подходы в архитектуре предприятий, их

 В статье рассматриваются современные подходы в архитектуре предприятий

Участники отвечают на одинаковые вопросы, расположенные в столбцах таблицы, но с различным уровнем абстракции.

• Как издать спецвыпуск?
• Правила оформления статей
• Оплата и скидки

Cisc и Risc процессоры: архитектура, иерархия, разновидности

Мы где-то в начале статьи написали, что архитектур ы RISC и CISC очень похожи и грань между ними слегка размыта. Да, у обеих архитектур диаметрально противоположный подход к использованию процессора, но конкуренция тоже делает свое дело. Поэтому CISC и RISC стали «перенимать» друг у друга лучшие решения. К примеру, конвейеризация раньше никогда не была доступной в CISC, но именно этот процесс был способен «уничтожить» эту архитектуру на корню, поэтому создателям CISC нужно было срочно предпринять и сэмулировать конвейеризацию в своих процессорах. Что они и сделали: они «разбили» сложные инструкции CISC на более простые и назвали этот процесс «микрооперации». Это не конвейеризация и ничего общего с RISC-инструкциями не имеет, но работает по такому же принципу, что также ускоряет работу CISC-процессоров.

Конвейер в RISC практически постоянно заполнен инструкциями, а микрооперации в CISC не могут организовать постоянное заполнение конвейера, поэтому возникало очень много «пустот». Из-за этого разработчики CISC пошли на дополнительный трюк, так называемый гипертрединг. Гипертрединг позволил CISC-процессору выполнять сразу несколько потоков инструкций. В этом случае если один поток не способен «наполнить» конвейер, то для этого берутся инструкции из других потоков.

Разработчики RISC заметили, что гипертрединг — это хорошо. А в их архитектуре редко, но иногда проскакивает «пустота» в конвейере, поэтому они внедрили гипертрединг и в своих процессорах.

Такое «копирование функционала» сделало свое дело: архитектура RISC и архитектура CISC стали очень похожи. Но при этом многие специалисты пророчат светлое будущее именно архитектуре RISC.

Мы будем очень благодарны

если под понравившемся материалом Вы нажмёте одну из кнопок социальных сетей и поделитесь с друзьями.