Архитектурой называется некоторый набор свойств и качеств, которые присущи различным семействам процессоров. Это некая количественная составляющая компонентов микроархитектуры вычислительного устройства (компьютерного процессора), рассматриваемая в аспекте прикладной деятельности современными IT-специалистами.

Сегодня можно повстречать различные компьютерные архитектуры. Большинство пользователей слышали об x86 и x64. Это архитектуры компьютеров. Они являются наиболее распространенными. Далее предстоит более подробно изучить CISC и RISC процессоры. Необходимо рассмотреть их ключевые особенности и области применения, а также различия. Также вниманию будут представлены другие существующие архитектуры. Эта информация пригодится и начинающим IT-специалистам (особенно системным администраторам), и обычным ПК-пользователям.

Микропроцессор – это…

Микропроцессор – это своеобразный компьютерный «мозг». Он считывает инструкции из памяти устройства, чтобы выполнять те или иные действия. Инструкции представлены числами, которые интерпретируются системой специальным образом.

В памяти нет ничего, что помогло бы отличить обычное число от готовой инструкции. Именно поэтому разработчики операционных систем должны быть уверены в том, что команды и данные размещаются там, где процессор ожидает их обнаружить. Микропроцессоры (CPU) отвечают за выполнение простейших операций.

Основные архитектуры

Современные процессоры предусматривают поддержку самых разных наборов свойств, характерных для всего процессорного семейства. Сегодня можно повстречать следующие их архитектуры:

• MISC;
• CISC;
• RISK;
• VLIW.

Существуют еще такие варианты как RISC-V и ARM. Далее все эти архитектуры будут рассмотрены более подробно. Особое внимание будет уделено RISC и CISC.

MISC

Minimal Instruction Set Computer (MISC) – семейство процессоров с минимальным набором доступных для выполнения операций. Используется оно, чтобы снизить электропотребление и уменьшить итоговую стоимость процессора.

MISC встречается в IoT-сегменте, а также в бюджетных компьютерных устройствах. Примером служат роутеры. Первый вариант MISC-процессоров – MuP21.

MISC укладывает ряд команд в единое большое слово. Это дает возможность параллельно обрабатывать сразу несколько информационных потоков. Команды здесь очень длинные, что позволяет избежать противоречивых операций в пределах одного и того же цикла. Порядок их осуществления определяется так, чтобы маршруты, пропускающие потоки информации, были максимально нагружены.

VLIW

Very Long Instruction Word (VLIW) – микропроцессоры, которые используют очень длинные команды. С помощью одной команды удается одновременно выполнять сразу несколько операций в разных узлах процессора.

VLIW предусматривает в своем составе компилятор. Он используется для формирования длинных команд. Начинает свою работу непосредственно во время функционирования приложений, написанных на высокоуровневых языках программирования.

VLIW подходит для компьютеров нового поколения. Встретить такую архитектуру можно на микропроцессорах:

• «Эльбрус»;
• Intel Itanium;
• AMD/ATI Radeon (до Northern Islands).

У VLIW отсутствует собственный аналог спекулятивной реализации операций. Спекуляция будет выполняться на этапе компиляции программного обеспечения.

ARM

ARM – микропроцессоры, используемые в мобильных устройствах. К их числу относят планшеты и современные телефоны.

Изначально ARM использовалась для достижения оптимального уровня энергоэффективности. Чаще всего такие процессоры подразумевают низкий уровень потребления энергии. За счет этого ARM встречается во встроенных системах и в IoT.

Такие микропроцессоры недорогие и хорошо масштабируемы, обладающие широкой поддержкой и развитой экосистемой. ARM предусматривают ограничение производительности, а также проблемы совместимости с программным обеспечением. Второй недостаток обусловлен небольшой популярностью архитектуры. Некоторые программы и операционные системы не смогут нормально работать на ARM без эмуляторов и дополнительных адаптаций.

RISC-V

RISC-V – полноценная и открытая архитектура, популярность которой с каждым годом увеличивается. Она является простой и модульной, что положительно сказывается на гибкости для запуска самых разных программ.

RISC-V используется как в микроконтроллерах, так и в полноценных вычислительных системах высокой производительности. К ее преимуществам относят:

1. Открытое и свободное распространение.
2. Разделение команд на базовый набор инструкций и расширения. Это позволяет включать в проекты те расширения, что действительно нужны для выполнения определенной задачи.
3. Минималистичность. RISC-V предусматривает в своем базовом наборе инструкций минимум простейших команд. Это дает возможность добиться их более эффективной реализации и положительно сказывается на энергопотреблении.

Но в некоторых приложениях RISC-V демонстрирует плохую производительность. Эта архитектура не подойдет для крупных и сложных проектов. А еще у RISC-V не очень хорошо развита поддержка и экосистема.

RISC

Теперь можно более подробно рассмотреть процессоры RISC. Reduced Instruction Set Computer – способ упрощения аппаратного обеспечения. RISC – архитектура с сокращенным набором команд. Она предусматривает упрощенный вид.

В RISC все команды будут одинакового формата и с простой кодировкой. К памяти такие процессоры обращаются при помощи команд загрузки и записи. Быстродействие здесь увеличивается за счет упрощения инструкций:

• время выполнения – уменьшается;
• декодирование – упрощается.

Первые RISC-процессоры были настолько простыми, что не имели даже инструкций умножения и деления. Они не поддерживали работу с числами с плавающей запятой – только с целочисленными значениями.

Наборы инструкций RISC включают в себя менее 100 инструкций. Они используют фиксированный формат построения команд. Этот прием подразумевает применение нескольких простых режимов адресации, в которых используются инструкции на основе регистров. Единственная отдельная команда для доступа к памяти в рассматриваемой архитектуре – это LOAD/STORE.

В качестве примеров RISC можно привести:

• SPARC;
• MIPS;
• ARM;
• PowerPC;
• SuperH;
• ARC;
• AVR.

RISC – быстрая архитектура. Она предусматривает несколько ключевых особенностей, которые могут охарактеризовать всю систему.

Ключевые характеристики

RISC предусматривает следующие значимые параметры:

• простое декодирование инструкций;
• наличие ряда регистров общего назначения;
• простые режимы адресации;
• выполнение одной инструкции за один цикл;
• элементарная форма представления инструкций;
• небольшое количество поддерживаемых типов данных;
• быстрая обработка инструкций.

RISC – архитектура процессоров, имеет как сильные, так и слабые стороны. Зная о них, можно оценить целесообразность использования микропроцессора для того или иного устройства.

Плюсы и минусы

Процессоры рассматриваемой архитектуры имеют следующие преимущества:

• широкие возможности адресации для управления памятью оборудования;
• ограниченные схемы адресации;
• небольшое количество регистров по сравнению с CISC-архитектурой;
• снижение нерегулярности потока команд.

Недостатки у RISC-архитектуры процессоров тоже есть. К ним можно отнести:

• зависимость производительности от компилятора или работы программистов;
• большой объем кэш-памяти на чипе;
• технология RISC архитектуры процессора требует постоянного перепрограммирования встроенного оборудования;
• более высокая стоимость по сравнению с другими архитектурами.

Основной концепцией RISC является упрощение аппаратного обеспечения за счет использования инструкций, состоящих из нескольких простых шагов (операций): хранения, загрузки и оценки.

CISC

Еще одним популярным типом процессоров является CISC или Complex Instruction Set Computer. Так называется архитектура вычислений со сложным набором команд. Ключевой целью CISC-архитектуры является сокращение количества инструкций, которые выполняются запущенным программным обеспечением. Подобный результат достигается за счет объединения множества простых инструкций в одну, но сложную.

CISC – архитектура, которая широко используется на процессорах Pentium. В таких процессорах нет необходимости в генерации машинных инструкций. Вместо создания компиляторов и написания длинных машинных инструкций для вычисления квадратного корня CISC будет предлагать встроенные возможности для выполнения соответствующей операции.

В качестве примеров процессоров с CISC архитектурой можно выделить:

• X86_64 (AMD64);
• X86 (IA-32);
• Motorola MC680x0.

В таких процессорах каждая команда может быть заменена на аналогичную ей или на группы выполняющих точно такие же операции. Состав у CISC более сложный, зато такие системы поддерживают более высокую производительность.

Характеристики

Чтобы лучше понимать принцип работы процессоров на рассматриваемой архитектуре, необходимо помнить о ее ключевых особенностях:

• одна инструкция необходима для поддержки нескольких режимов адресации;
• наличие огромного количества инструкций для процессора;
• поддержка команд переменной длины;
• наличие конструкций, которые оснащены двумя специальными регистрами для указателя стека управления перерывами;
• команды имеют размер, превышающие одно слово.

Также необходимо помнить о преимуществах и недостатках CISC.

Плюсы и минусы CISC

CISC архитектура имеет следующие преимущества:

• простота добавления в чип новых команд без изменения структуры командного набора;
• эффективное использование основной памяти устройства;
• возможность записи набора операций так, чтобы соответствовать структурам высокоуровневых языков.

Недостатки тут следующие:

• снижение производительности устройства из-за того, что на выполнение различных операций требуется разное время;
• больший размер из-за количества необходимых транзисторов.

Теперь можно сравнить RISC и CISC процессоры, чтобы лучше понимать, чем они отличаются друг от друга.

Сравнение RISC и CISC

Вот таблица, наглядно объясняющая разницу между двумя упомянутыми микропроцессорами:

RISC	CISC
Наличие встроенного блока программирования	Наличие встроенного блока микропрограммирования
Примитивные инструкции. Их набор очень сильно сокращен	Командный набор включает в себя инструкции, доступные для связи различных манипуляций
Производительность будет оптимизирована с упором на программное обеспечение	Производительность оптимизирована с упором на аппаратное обеспечение
RISC – архитектура процессора с поддержкой нескольких наборов регистров	Наличие только одного регистра
Короткий срок выполнения	Очень длинный срок выполнения
При расширении кода могут возникать проблемы	Расширение кода не вызывает проблемы
Простая расшифровка инструкций	Комплексная и более сложная расшифровка
Наиболее распространенные процессоры: ARC, ARM, AVR, PA-RISC, SPARC, Alpha	Наиболее распространенные процессоры: AMD, Intel x86, VAX, System/360
Для каждой операции архитектура процессора отводит один цикл	Операции могут занимать несколько циклов (тактов)
Интенсивное использование памяти, что может стать проблемой при небольшом ее объеме	Эффективное использование оперативной памяти
Режимы составной адресации	Ограниченные режимы адресации
Ориентированность на смартфоны и планшеты	Ориентированность на системы безопасности и домашние компьютеры
Фиксированные 32-битный формат	Разнообразные форматы команд (16-64 бита)
Кэш данных и команд разделен	Единый кэш для данных и операций

Выбирая между процессорами RISC и CISC, необходимо учитывать, что первый тип отлично подойдет для сред, где простота и скорость имеют первостепенное значение. CISC пригодятся там, где нужно обрабатывать комплексные командные наборы.

Хотите освоить современную IT-специальность? Огромный выбор курсов по востребованным IT-направлениям есть в Otus!