Процессоры cisc и risc: Cisc и Risc процессоры: архитектура, иерархия, разновидности

12. Классификация процессоров (CISC и RISC)

12. Классификация процессоров (CISC и RISC) Двумя основными архитектурами набора команд, используемыми компьютерной промышленностью на современном этапе развития вычислительной техники являются архитектуры CISC и RISC. Основоположником CISC-архитектуры можно считать компанию IBM с ее базовой архитектурой /360, ядро которой используется с1964 года и дошло до наших дней, например, в таких современных мейнфреймах как IBM ES/9000. Лидером в разработке микропроцессоров c полным набором команд (CISC — Complete Instruction Set Computer) считается компания Intel со своей серией x86 и Pentium. Эта архитектура является практическим стандартом для рынка микрокомпьютеров. Для CISC-процессоров характерно: сравнительно небольшое число регистров общего назначения; большое количество машинных команд, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за много тактов; большое количество методов адресации; большое количество форматов команд различной разрядности; преобладание двухадресного формата команд; наличие команд обработки типа регистр-память. Основой архитектуры современных рабочих станций и серверов является архитектура компьютера с сокращенным набором команд (RISC — Reduced Instruction Set Computer). Зачатки этой архитектуры уходят своими корнями к компьютерам CDC6600, разработчики которых (Торнтон, Крэй и др.) осознали важность упрощения набора команд для построения быстрых вычислительных машин. Эту традицию упрощения архитектуры С. Крэй с успехом применил при создании широко известной серии суперкомпьютеров компании Cray Research. Однако окончательно понятие RISC в современном его понимании сформировалось на базе трех исследовательских проектов компьютеров: процессора 801 компании IBM, процессора RISC университета Беркли и процессора MIPS Стенфордского университета. Разработка экспериментального проекта компании IBM началась еще в конце 70-х годов, но его результаты никогда не публиковались и компьютер на его основе в промышленных масштабах не изготавливался. В 1980 году Д.Паттерсон со своими коллегами из Беркли начали свой проект и изготовили две машины, которые получили названия RISC-I и RISC-II. Главными идеями этих машин было отделение медленной памяти от высокоскоростных регистров и использование регистровых окон. В 1981году Дж.Хеннесси со своими коллегами опубликовал описание стенфордской машины MIPS, основным аспектом разработки которой была эффективная реализация конвейерной обработки посредством тщательного планирования компилятором его загрузки. Эти три машины имели много общего. Все они придерживались архитектуры, отделяющей команды обработки от команд работы с памятью, и делали упор на эффективную конвейерную обработку. Система команд разрабатывалась таким образом, чтобы выполнение любой команды занимало небольшое количество машинных тактов (предпочтительно один машинный такт). Сама логика выполнения команд с целью повышения производительности ориентировалась на аппаратную, а не на микропрограммную реализацию. Чтобы упростить логику декодирования команд использовались команды фиксированной длины и фиксированного формата. Среди других особенностей RISC-архитектур следует отметить наличие достаточно большого регистрового файла (в типовых RISC-процессорах реализуются 32 или большее число регистров по сравнению с 8 — 16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах на процессорном кристалле большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные. Для обработки, как правило, используются трехадресные команды, что помимо упрощения дешифрации дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки. Ко времени завершения университетских проектов (1983-1984 гг.) обозначился также прорыв в технологии изготовления сверхбольших интегральных схем. Простота архитектуры и ее эффективность, подтвержденная этими проектами, вызвали большой интерес в компьютерной индустрии и с 1986 года началась активная промышленная реализация архитектуры RISC. К настоящему времени эта архитектура прочно занимает лидирующие позиции на мировом компьютерном рынке рабочих станций и серверов. Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Именно современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд. Современные компиляторы используют также преимущества другой оптимизационной техники для повышения производительности, обычно применяемой в процессорах RISC: реализацию задержанных переходов и суперскалярной обработки, позволяющей в один и тот же момент времени выдавать на выполнение несколько команд. Следует отметить, что в последних разработках компании Intel (имеется в виду Pentium P54C и процессор следующего поколения P6), а также ее последователей-конкурентов (AMD R5, Cyrix M1, NexGen Nx586 и др.) широко используются идеи, реализованные в RISC-микропроцессорах, так что многие различия между CISC и RISC стираются. Однако сложность архитектуры и системы команд x86 остается и является главным фактором, ограничивающим производительность процессоров на ее основе.

Не хотите RISCовать? Узнайте больше о процессорах архитектуры RISC

Что такое RISC-архитектура? Краткая история

Аббревиатура «RISC», от английского — reduced instruction set computer, переводится на русский как «сокращенное (ограниченное) число команд (инструкций)».

Очень часто в каталогах продукции различных производителей можно встретить название раздела или описание товара с указанием «на базе RISC». Данное заявление не относится к описанию каких-либо особых функций или характеристик оборудования. Оно связано только с одним из важнейших элементов любой ЭВМ, ее «вычислительным сердцем», без которого, не может функционировать ни один компьютер в мире. Указывая «RISC», производитель подразумевает только одно – процессор.

Свое начало «RISC» архитектура процессоров берет в середине 70-х – 80-х годов. Исследователями того времени, в частности представители IT-гиганта IBM, было выяснено, что большинство комбинаций команд и прямых методов адресации, не были задействованы использовавшимися в то время компиляторами («сборщики» исходного программного кода высокого уровня в программу на машинном языке, «понятную» компьютеру). Кроме того, было обнаружено, что программы, реализующие набор инструкций актуальных процессоров, зачастую обрабатывают сложные операции значительнее медленнее простых, выполняющие те же действия. Основная проблема заключалась в общей оптимизации микрокода процессора. Для решения простых задач процессоры того времени представляли из себя слишком сложные устройства, содержащие в себе большое количество инструкций, половина которых, могла даже быть не задействована.

Соответственно, обработка всех инструкций сказывалась и на общей производительности процессора. Учтя все минусы современных процессоров того времени, было принято решение о разработке новой архитектуры. Основной фокус – сделать инструкции процессора настолько простыми, чтобы они легко и эффективно конвейеризировались (технология организации вычислений в процессорах и контроллерах). После нескольких лет исследований, в начале 80-х годов, было выпущено несколько видов процессоров, общее название которых и дало имя всей архитектуры – RISC. Своим созданием новая архитектура обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, руководителю проекта Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы. В рамках данного проекта были разработаны дебютные процессоры новой архитектуры — RISC I и RISC II.

Профессора кафедры «Электротехника и компьютерные науки (EECS)» калифорнийского университета в Беркли, слева направо, Дэвид Паттерсон и Карло Секин. Участники проекта «Berkeley RISC». (ссылка на источник)

CISC и RISC процессоры.

Характерные отличия, преимущества и недостатки

Все процессоры в мире, условно можно поделить на два типа – RISC, о нем уже было ранее сказано, и CISC. Что же такое CISC-процессор? Аббревиатура «CISC», от английского complete instruction set computing, переводится как «полный набор команд (инструкций)».

Главные особенности, определяющие архитектуру CISC:

• большое количество различных по длине и формату команд, выполняемых за несколько тактов центрального процессор
• управление с помощью программируемой логики (кодировка инструкций)
• преобладание двухадресной адресации и развитый механизм адресации операндов (переменная, над которой производят операции в коде)

CISC-процессоры являются так называемыми «классическими» процессорами. Они содержат в сотни раз больше команд, чем RISC-архитектура, используют больше способов адресации и т.д. На рубеже 80—90-ых в мире разгорелся настоящий «жаркий» спор, о том, какой же процессор лучше? С одной стороны баррикад, поставщики процессоров RISC — Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), союз IBM и Motorola (PowerPC), с другой – Intel и AMD.

И решение было найдено не в технических аргументах сторон, а в технологическом преимуществе Intel и AMD. Но, с начала 2000-х, с момента появления мобильных решений и стремительного скачка развития в этом сегменте технологий, архитектура RISC обрела новую жизнь. Кроме того, во многих современных процессорах CISC, отдельные блоки и модули инструкций, представляют из себя, не что иное как RISC-процессор.

Наглядное сравнение процессоров CISС и RISC архитектур. CISC – массивный, мощный Кадиллак с эффектными спойлерами. RISC – быстрый, маневренный, компактный Porsche. (Из выступления Дэвида Паттерсона в 1985 году, ссылка).

В данной части мы не будем подробно рассматривать технические характеристики процессоров RISC, основные принципы построения архитектуры, алгоритмы логики и т.д. На данную тему, в просторах интернета, можно найти множество различных статей, как в англоязычном, так и в русскоязычном сегменте. Нас же, в первую очередь интересует вопрос – «Что получит обычный пользователь, приобретая оборудования на базе архитектуры RISС процессора?».

Именно этот вопрос, послужит основным тезисом при разборе преимуществ и недостатков далее.

Преимущества

1. Главное, и, пожалуй, основополагающее преимущество при выборе оборудование на базе процессора RISC — цена. Связано это в первую очередь с тем, что наборы инструкций RISC-процессоров просты и соответственно, для их выполнения, нужно меньшее количество логических элементов, что в конечном счете влияет на итоговую стоимость процессора. Кроме того, производство RISC-процессоров не требует сложных технологических процессоров, по сравнению с CISC, и занимает гораздо меньше времени.
2. Общее быстродействие процессора. Связано это в первую очередь с небольшим числом команд, форматов, режимов и т.д., что ведет к упрощению схемы декодирования, и оно происходит быстрее.
3. Использование семейства операционных систем Linux. Можно сказать, что оборудование на базе процессора RISC является идеальным для установки операционных систем Linux. Мощный рывок в развитии, особенно за последние несколько лет, RISC-подобные процессоры получили благодаря использованию открытого программного обеспечения, которое в дальнейшем раскрылось в использование различных дистрибутивов под разные задачи и от разных разработчиков. Любой производитель оборудования на RISC-процессоре, как правило может предоставить все необходимые драйвера, даже под несколько дистрибутивов. По запросу также есть возможность получить SDK (software development kit) набор.

К сожалению, недостатки RISC процессоров, тесно связаны с их преимуществами.

Недостатки

1. Недостаточная производительность и функциональность. К сожалению, да, несмотря на свое быстродействие, процессоры RISC не предназначены для решения сложных и трудоемких задач. Для обработки больших массивов данных, сложной графической информации, развертывания виртуальных сред и т.д., оборудование на базе RISC-процессора не подходит.
2. Большая часть программного обеспечения, сегодня написана под процессоры Intel и AMD, соответственно для работы с архитектурой RISC, оно должно быть перекомпилировано или переписано заново, что часто создает определенные сложности, а порой и просто невыполнимость задачи.
3. Сокращенное число команд в архитектуре RISC, создает ситуации, когда на выполнение нескольких функций, приходится тратить несколько команд, в отличие от одной в архитектуре CISC. Это удлиняет не только код программы, но и увеличивает трафик команд между памятью и центральным процессором. Проводимые исследования показатели, что в среднем, длина кода программы в архитектуре RISC на 30% больше, чем аналогичной программы в CISC.

Простой пример сравнения СISC-кода и RISC-кода.

Основные RISC-процессоры. Что применяют в промышленности?

Как уже упоминалось выше, на сегодняшний день, RISС-подобные процессоры активно развиваются в своем сегменте рынка. Большую часть этого сегмента, 80%-90% занимают процессоры для товары широкого потребления. Конечно же, это различные смартфоны, планшетные компьютеры, игровые приставки и т.д. Любое мобильное устройство, где необходимо использование процессора, с вероятностью 90% построено на вычислительной мощности RISC-подобного процессора. Но, возможно Вы об этом не слышали и сам термин «RISC-подобный» вызывает дополнительные вопросы. Неоднократно в данной статье говорилось о RISC-подобных процессорах, что же это такое? RISC-подобные процессоры – это процессоры, в базисе архитектуры которых, были заложены основные идеи при разработке первых RISC процессоров, но в дальнейшем, приобретали свои уникальные свойства, особенности и развивались уже собственным путем. Инженеры-разработчики данных процессоров, черпали вдохновение именно из идей проекта «Berkeley RISC». Самые известные архитектуры RISC-подобных процессоров это ARM, MIPS, SPARK. Но конечно же есть и другие, менее распространённые, либо применяемые только в специализированных сферах, такие как – SuperH (SH), PowerPC, AVR и другие. Даже Intel и AMD разработали некогда свою собственную архитектуру на RISC-ядре – Intel P5/P6 и AMD K5/K6/K7. Но, стоит сказать об интересной особенности, данные компании занимаются лишь проектированием и лицензированием микропроцессорных устройств, но своих производственных мощностей не имеют. Например, лицензиатами архитектуры ARM, являются такие известные мировые производителя как AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon и многие другие. Соответственно, такие современные процессоры как Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 и Apple A12Z, разработаны на ARM-микропроцессоре. Самые известные производители, использующие в своих процессорах MIPS архитектуру, это Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba и российская компания «Т-Платформа», использующий процессорные ядра P5600 архитектуры MIPS32 Release 5 в процессоре Baikal-T1. Как мы можем увидеть, рынок RISC-подобных процессоров в массовом сегменте достаточно широкий, и можно найти решения отвечающее любым задач, но как обстоят дела в промышленном сегменте?

Особенности промышленных компьютеров RISC

Развитие RISC-подобных процессоров в промышленной отрасли отличается от массового рынка. В первую очередь это связано с не таким огромным спросом на устройства с данным типом процессора. Если у производителя есть возможности, он может реализовать в своем устройстве уже готовое процессорное ядро от стороннего разработчика и в дальнейшем просто оптимизировать под него программное обеспечение. Чаще всего так и происходит и самые распространённым для применения процессором в данном контексте является Cortex, являющийся процессором ARM архитектуры от разработчика ARM Holdings. Более сложный путь, иметь собственный процессор, развитие и разработка которого полностью зависят от самого производителя. Одним из таких производителей является компания DMP, которая выпускает процессоры собственной линейки под названием Vortex86. Процессоры серии Vortex86 являются процессорами так называемой «системой на кристалле» (от. System-on-a-Chip, SoC), т.е. один чип включающий в себя CPU, North Bridge и South Bridge.

Блок-диаграмма процессора Vortex86DX3.

На базе данного семейства процессоров подразделение производителя DMP, компания iCOP, разрабатывает и выпускает промышленное оборудование различного форм-фактора. У компании есть три основные линейки, каждая из которых включает различные варианты конфигураций и функционала для задач любой сложности.

Так какие же основные преимущества у промышленных компьютеров на базе процессоров RISC? Перечислим их по пунктам:

• Цена. Стоимость промышленного вычислительного оборудования в основе которого лежит RISC-подобный процессор, всегда будет ниже по сравнению с аналогичным оборудованием, но на базе процессоров Intel или AMD. Основные доводы были проведены нами ранее. В этом случае нет зависимости массовый это сегмент или промышленный.
• Долгий уровень поддержки. Это означает то, что производитель RISC-подобного процессора не зависит от решений мировых корпораций и тенденций на массовом рынке. Производитель смотрит только на промышленный сегмент и может даже руководствоваться необходимыми рамками производства той или иной модели процессора, в условиях применения исключительно только в одном проекте. Да, в таком случае, это должен быть довольно крупный проект, но решение принимается индивидуально в процессе общения с конечным пользователем. Срок такой поддержки может достигать 15-20 лет.
• Поддержка работы в экстремально низких температурах. Это одно из главных преимуществ RISC-подобных процессоров в промышленности. За счет своей достаточной производительности, низкого тепловыделения и архитектуры, оборудование на базе RISС-подобных процессоров поддерживает и проще адаптируется к работе при низких минусовых температурах.
• Свобода разработки программного обеспечения с поддержкой производителя процессора. Если планируется использовать ОС на базе любого дистрибутива Linux, то адаптировать программное обеспечение под RISC-подобный процессор намного проще из-за простых наборов инструкций, выполнение которых происходит достаточно быстро. Дополним это преимущество и возможностью писать программы для Linux почти на любом языке программирования, начиная от Java и Python и заканчивая С++.
• Гибкая конфигурация и разработка решений под ключ. Можно сказать, это основный интерес производителей RISC-подобных процессоров, предлагать не стандартные решения, а уникальные и зачастую разработанные специально под какие-то специализированные нужды. Даже на базе, например какой-либо стандартной платы, в основе которой лежит процессор Vortex86, производитель готов создать устройство только с необходимыми заказчику функциями.

Особенности промышленных компьютеров RISC

С момента своего появления и до сегодняшних дней, эволюция процессоров RISC сделала гигантский скачок вперед и запас потенциала их дальнейшего развития еще очень и очень велик. С появления узкоспециализированных процессоров в рамках закрытых научных программ до базовой вычислительной основы миллионов устройств по всему миру, кажется, прошло совсем немного времени, но данный промежуток ярко показывает насколько это была гениальная инженерная мысль с последующим ее огромным влиянием на развитие всей IT-индустрии.

Оставить заявку

Компьютерная организация | RISC и CISC

Улучшить статью

Сохранить статью

• Уровень сложности: Easy
• Последнее обновление: 13 янв, 2022

Читать

Обсудить

Улучшить статью

Сохранить статью

Архитектура с сокращенным набором инструкций (RISC) —  
Основная идея заключается в упрощении аппаратного обеспечения за счет использования набора инструкций, состоящего из нескольких основных шагов для загрузки, оценки и сохранения операций, точно так же, как команда загрузки загружает данные. , команда store сохранит данные.

Комплексная архитектура набора инструкций (CISC) —  
Основная идея заключается в том, что одна инструкция будет выполнять все операции загрузки, оценки и сохранения точно так же, как команда умножения выполняет такие действия, как загрузка, оценка и сохранение данных, следовательно это сложно.

Оба подхода направлены на повышение производительности ЦП

• RISC: Уменьшить количество циклов на инструкцию за счет количества инструкций на программу.
   
• CISC: Подход CISC пытается минимизировать количество инструкций на программу, но за счет увеличения количества циклов на инструкцию.

Ранее, когда программирование выполнялось с использованием языка ассемблера, ощущалась потребность в том, чтобы инструкции выполняли больше задач, потому что программирование на ассемблере было утомительным и подверженным ошибкам, из-за чего архитектура CISC развивалась, но с появлением зависимости от языка высокого уровня. при сборке преобладала уменьшенная архитектура RISC.

Характеристика RISC –  

1. Более простая инструкция, следовательно, простое декодирование инструкции.
2. Инструкция меньше одного слова.
3. Для выполнения инструкции требуется один такт.
4. Дополнительные регистры общего назначения.
5. Простые режимы адресации.
6. Меньше типов данных.
7. Можно построить трубопровод.

Характеристика CISC –  

1. Сложная инструкция, следовательно, декодирование сложной инструкции.
2. Размер инструкций превышает одно слово.
3. Для выполнения инструкции может потребоваться более одного такта.
4. Меньшее количество регистров общего назначения, так как операции выполняются в самой памяти.
5. Сложные режимы адресации.
6. Дополнительные типы данных.

Пример — Предположим, нам нужно добавить два 8-битных числа:

• Подход CISC: Для этого будет одна команда или инструкция, например ADD, которая выполнит задачу.
• RISC-подход: Здесь программист напишет первую команду загрузки для загрузки данных в регистры, затем он будет использовать подходящий оператор, а затем сохранит результат в нужном месте.

Таким образом, операция добавления делится на части, т. е. загрузка, работа, сохранение, из-за чего программы RISC длиннее и требуют больше памяти для сохранения, но требуют меньше транзисторов из-за менее сложной команды.

Разница –  

1 Большой размер кода19 Небольшой размер кода

RISC	CISC
Фокус на программном обеспечении	Фокус на оборудовании
Использует только блок управления	. используются для хранения сложных Инструкции
Инструкции фиксированного размера	Инструкции переменного размера
Может выполнять только арифметические операции из регистра в регистр	Может выполнять REG в REG или REG в MEM или MEM в MEM
Требуется большее количество регистров	Требуется меньшее количество регистров
Инструкция выполняется за один такт	Инструкция выполняется более чем за один такт
Инструкция помещается в одно слово	Инструкции больше одного слова

Архитектура RISC и CISC — работа и их приложения

это было разработано. Архитектура ЦП представляет собой вычисления с сокращенным набором команд (RISC) и вычисления со сложным набором инструкций (CISC). CISC может выполнять многошаговые операции или режимы адресации в рамках одного набора инструкций. Это конструкция ЦП, в которой одна инструкция выполняет несколько низкоуровневых действий. Например, хранение в памяти, загрузка из памяти и арифметическая операция.

Вычисления с сокращенным набором команд — это стратегия проектирования центрального процессора, основанная на представлении о том, что базовый набор инструкций обеспечивает высокую производительность в сочетании с микропроцессорной архитектурой. Эта архитектура способна выполнять инструкции, используя несколько циклов микропроцессора на инструкцию. В этой статье обсуждается архитектура RISC и CISC с соответствующими схемами. Аппаратная часть Intel называется компьютером с комплексным набором инструкций (CISC), а аппаратная часть Apple — компьютером с сокращенным набором инструкций (RISC).

Компьютер со сложным набором инструкций — это компьютер, в котором отдельные инструкции могут выполнять множество низкоуровневых операций, таких как загрузка из памяти, арифметическая операция и сохранение в памяти, или выполняются многошаговыми процессами или режимами адресации в отдельных инструкциях, как его название предполагает «комплексный набор инструкций».

Компьютер с сокращенным набором команд — это компьютер, который использует только простые команды, которые можно разделить на несколько инструкций, обеспечивающих низкоуровневую работу в рамках одного цикла CLK, как следует из названия «Сокращенный набор инструкций»

Архитектура RISC

Термин RISC означает «Компьютер с сокращенным набором команд». Это план проектирования ЦП, основанный на простых приказах и действующий быстро.

Это небольшой или сокращенный набор инструкций. Здесь ожидается, что каждая инструкция будет выполнять очень небольшие задания. В этой машине наборы инструкций скромны и просты, что помогает составлять более сложные команды. Каждая инструкция примерно одинаковой длины; они объединены вместе, чтобы выполнять сложные задачи за одну операцию. Большинство команд выполняется за один машинный цикл. Эта конвейерная обработка является важной техникой, используемой для ускорения RISC-машин.

Архитектура RISC

Сокращенный набор команд Компьютер представляет собой микропроцессор, предназначенный для одновременного выполнения нескольких инструкций. Эти микросхемы, основанные на небольших командах, требуют меньшего количества транзисторов, что делает разработку и производство транзисторов недорогими. Особенности RISC включают следующее.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о конвейерной обработке в компьютерной архитектуре MCQ

• Спрос на декодирование меньше
• Мало типов данных в оборудовании
• Регистр общего назначения Идентичен
• Единый набор инструкций
• Узлы простой адресации

Кроме того, RISC упрощает процесс написания программы, позволяя программисту исключить ненужные коды и не тратить циклы впустую.

Характеристики

Характеристики архитектуры RISC включают следующее.

• Простые инструкции используются в архитектуре RISC.
• RISC помогает и поддерживает несколько простых типов данных и синтезирует сложные типы данных.
• RISC использует простые режимы адресации и инструкции фиксированной длины для конвейерной обработки.
• RISC позволяет использовать любой регистр в любом контексте.
• Время выполнения одного цикла
• Объем работы, которую может выполнять компьютер, уменьшается за счет разделения инструкций «LOAD» и «STORE».
• RISC содержит большое количество регистров для предотвращения различных взаимодействий с памятью.
• В RISC конвейерная обработка проста, так как выполнение всех инструкций будет выполняться с одинаковым интервалом времени, т. е. одним щелчком мыши.
• В RISC требуется больше оперативной памяти для хранения инструкций на уровне сборки.
• Для сокращенных инструкций требуется меньшее количество транзисторов в RISC.
• RISC использует модель памяти Гарварда, что означает, что это Гарвардская архитектура.
• Компилятор используется для выполнения операции преобразования означает преобразование оператора языка высокого уровня в код его формы.

Архитектура CISC

Термин CISC означает «Complex Instruction Set Computer». Это план проектирования ЦП, основанный на отдельных командах, которые умеют выполнять многоэтапные операции.

Компьютеры CISC имеют небольшие программы. В нем огромное количество составных инструкций, выполнение которых занимает много времени. Здесь единый набор инструкций защищается в несколько этапов; каждый набор инструкций имеет дополнительно более 300 отдельных инструкций. Максимальное количество инструкций выполняется за два-десять машинных циклов. В CISC конвейерную обработку инструкций реализовать непросто.

Архитектура CISC

Машины CISC имеют хорошие характеристики, основанные на обзоре компиляторов программ; поскольку целый ряд инновационных инструкций можно легко получить в одном наборе инструкций. Они разрабатывают составные инструкции в одном простом наборе инструкций.

Они реализуют низкоуровневые процессы, что упрощает использование огромных узлов адресации и дополнительных типов данных в аппаратном обеспечении машины. Но CISC считается менее эффективным, чем RISC, из-за его некомпетентности в устранении кодов, что приводит к пустой трате циклов. Кроме того, микропроцессорные микросхемы трудно понять и программировать из-за сложности аппаратного обеспечения.

• Архитектура набора инструкций — это среда, обеспечивающая связь между программатором и оборудованием. Часть выполнения данных, копирование данных, удаление или редактирование — это пользовательские команды, используемые в микропроцессоре, и с этим микропроцессором работает архитектура набора инструкций.
• Основные ключевые слова, используемые в приведенной выше архитектуре набора инструкций, указаны ниже
.

Набор инструкций: Группа инструкций для выполнения программы и управления компьютером путем манипулирования данными. Инструкции имеют форму – Opcode (операционный код) и Operand. Где код операции — это инструкция, применяемая для загрузки и сохранения данных и т. д. Операнд — это регистр памяти, в котором применяется инструкция.

Режимы адресации: Режимы адресации определяют способ доступа к данным. В зависимости от типа применяемой инструкции режимы адресации бывают разных типов, например, прямой режим, когда осуществляется доступ к прямым данным, или косвенный режим, когда осуществляется доступ к местоположению данных. Процессоры, имеющие одинаковую ISA, могут сильно отличаться в организации. Процессоры с одинаковой ISA и почти одинаковой организацией все же почти не идентичны.

Производительность ЦП определяется фундаментальным законом

Таким образом, производительность ЦП зависит от количества инструкций, CPI (количество циклов на инструкцию) и времени такта часов. И на все три влияет архитектура набора инструкций.

Количество инструкций ЦП

Это подчеркивает важность архитектуры набора инструкций. Существует две распространенные архитектуры набора команд

Примеры процессоров CISC

IBM 370/168 — Он был представлен в 1970 году. Конструкция CISC представляет собой 32-битный процессор и четыре 64-битных регистра с плавающей запятой.
VAX 11/780 — конструкция CISC представляет собой 32-разрядный процессор, поддерживающий множество режимов адресации и машинных инструкций от Digital Equipment Corporation.
Intel 80486 — он был выпущен в 1989 году и представляет собой процессор CISC с инструкциями разной длины от 1 до 11, и он будет иметь 235 инструкций.

Характеристики

Архитектура CISC имеет следующие характеристики.

• Логика декодирования инструкций будет сложной.
• Для поддержки нескольких режимов адресации требуется одна инструкция.
• Меньше места в микросхеме достаточно для регистров общего назначения для инструкций, которые выполняются непосредственно в памяти.
• Различные конструкции CISC настроены с двумя специальными регистрами для указателя стека, обработки прерываний и т. д.
• MUL упоминается как «сложная инструкция 9».0008

Сравнение RISC и CISC

RISC означает «Компьютер с сокращенным набором инструкций», тогда как CISC означает «Компьютер со сложным набором инструкций». Процессоры RISC имеют меньший набор инструкций с несколькими узлами адресации. Процессоры CISC имеют больший набор инструкций со многими узлами адресации.

RISC и CISC

Блок памяти

RISC не имеет блока памяти и использует отдельное оборудование для реализации инструкций. CISC имеет блок памяти для выполнения сложных инструкций

Программа

RISC имеет запрограммированную единицу программирования. CISC имеет модуль микропрограммирования

Дизайн

RISC представляет собой компилятор сложной конструкции. CISC — это простой дизайн компилятора

Расчеты

Расчеты RISC выполняются быстрее и точнее. Расчеты CISC медленные и точные

Декодирование

RISC-декодирование инструкций простое. CISC-декодирование инструкций сложное

Время

Время выполнения в RISC намного меньше. Время выполнения очень велико в CISC.

Внешняя память

RISC не требует внешней памяти для вычислений. CISC требует внешней памяти для вычислений.

Конвейерная обработка

Конвейерная обработка RISC работает правильно. CISC Pipelining работает неправильно.

Задержки

Задержки RISC в основном уменьшены в процессорах. Процессоры CISC часто зависают.

Расширение кода

Расширение кода может быть проблемой в RISC, тогда как в CISC расширение кода не является проблемой.

Место на диске

Пространство в RISC сохраняется, а в CISC тратится впустую. Лучшие примеры архитектуры набора инструкций CISC включают VAX, PDP-11, Motorola 68k и ваши настольные ПК на архитектуре Intel x86, тогда как лучшие примеры архитектуры RISC включают DEC Alpha, ARC, AMD 29k, Atmel AVR, Intel i860, Blackfin. , i960, Motorola 88000, MIPS, PA-RISC, Power, SPARC, SuperH и ARM.

СЕМАНТИЧЕСКИЙ ПРОБЕЛ

Архитектуры RISC и CISC были разработаны как попытка восполнить семантический пробел.

Semantic Gap

Для повышения эффективности разработки программного обеспечения появилось несколько мощных языков программирования, а именно Ada, C, C++, Java и т. д. Они обеспечивают высокий уровень абстракции, краткости и мощности. Благодаря этой эволюции семантический разрыв увеличивается. Для обеспечения эффективной компиляции программ на языке высокого уровня двумя вариантами являются конструкции CISC и RISC.

Проекты CISC включают очень сложную архитектуру, включая большое количество инструкций и режимов адресации, тогда как проекты RISC включают упрощенный набор инструкций и адаптируют его к реальным требованиям пользовательских программ.

CISC и RISC Design

Умножение двух чисел в памяти

Если основная память разделена на области, пронумерованные от строки 1: столбец 1 до строки 5: столбец 4. Данные загружаются в один из четырех регистров (A , В, С или D). Чтобы найти умножение двух чисел — одно хранится в ячейке 1: 3, а другое хранится в ячейке 4: 2 и сохраняет результат в 1: 3.

Умножение двух чисел

Применение RISC и CISC

RISC используется в высокопроизводительных приложениях, таких как обработка видео, телекоммуникации и обработка изображений. CISC используется в низкоуровневых приложениях, таких как системы безопасности, домашняя автоматизация и т. д.

Преимущества и недостатки

Преимущества архитектуры RISC заключаются в следующем.

• RISC (вычисления с сокращенным набором инструкций) архитектура имеет набор инструкций, поэтому компиляторы языков высокого уровня могут создавать более эффективный код
• Это позволяет свободно использовать пространство на микропроцессорах из-за его простоты.
• Многие процессоры RISC используют регистры для передачи аргументов и хранения локальных переменных.
• RISC-функции используют лишь несколько параметров, а процессоры RISC не могут использовать инструкции вызова и, следовательно, используют инструкцию фиксированной длины, которую легко конвейеризировать.
• Можно увеличить скорость операции и минимизировать время выполнения.
  Требуется очень меньшее количество форматов инструкций, небольшое количество инструкций и несколько режимов адресации.

К недостаткам архитектуры RISC относятся следующие.

• В основном производительность процессоров RISC зависит от программиста или компилятора, поскольку знание компилятора играет жизненно важную роль при изменении кода CISC на код RISC
• При преобразовании кода CISC в код RISC, который называется расширением кода, размер увеличивается. И качество этого расширения кода снова будет зависеть от компилятора, а также от набора инструкций машины.
• Кэш первого уровня процессоров RISC также является недостатком RISC, при котором эти процессоры имеют большие кэши памяти на самом чипе. Для подачи инструкций им требуются очень быстрые системы памяти.

К преимуществам архитектуры CISC относятся следующие.

• Микропрограммирование — это простой в реализации язык ассемблера, который дешевле, чем жесткое подключение блока управления.
• Простота микрокодирования новых инструкций позволила разработчикам сделать машины CISC совместимыми с предыдущими версиями:
• По мере того, как каждая инструкция становилась более совершенной, для выполнения данной задачи можно было использовать меньше инструкций.

К недостаткам архитектуры CISC относятся следующие.

• Производительность машины снижается из-за того, что количество часов, занимаемых разными инструкциями, будет разным
• Только 20% существующих инструкций используются в типичном событии программирования, хотя в реальности существуют различные специализированные инструкции, которые даже не часто используются.
• Условные коды устанавливаются инструкциями CISC как побочный эффект каждой инструкции, которая требует времени для этой настройки, и, поскольку последующая инструкция изменяет биты кода условия, поэтому компилятор должен проверить биты кода условия, прежде чем это произойдет. .

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о конвейерной обработке в запросах MCQ по архитектуре компьютеров.