Історія RISK – процесорів

Вступ

У середині 1970 -х різні дослідники (зокрема, з IBM) показали, що більшість комбінацій операцій і ортогональних методів адресації не використовувалися в більшості програм, породжуваних компіляторами того часу. Також було виявлено, що в деяких архітектурах з мікрокодовою реалізацією складні операції часто були повільнішими в послідовності простіших операцій, що виконують ті ж дії. Це було викликано, зокрема, тим, що багато архітектур розроблялися в поспіху і добре оптимізувався мікрокод тільки тих інструкцій, які використовувалися частіше.

Оскільки багато реальних програм витрачають більшість свого часу на виконання простих операцій, багато дослідників вирішили сфокусуватися на тому, щоб зробити ці операції максимально швидкими. Тактова частота процесора обмежена часом, який процесор витрачає на виконання найбільш повільних кроків у процесі обробки будь-якої інструкції; зменшення тривалості таких кроків дає загальне підвищення частоти, а також найчастіше прискорює виконання інших інструкцій за рахунок більш ефективної конвейеризації. Фокусування на простих інструкціях і веде до архітектури RISC, мета якої - зробити інструкції настільки простими, щоб вони легко конвейеризувались і витрачали не більше одного такту на кожному кроці конвеєра на високих частотах.

Пізніше було відзначено, що найбільш значима характеристика RISC в поділі інструкцій для обробки даних і звернення до пам'яті - звернення до пам'яті йде тільки через інструкції load і store, а всі інші інструкції обмежені внутрішніми регістрами. Це спростило архітектуру процесорів: дозволило інструкціям мати фіксовану довжину, спростило конвеєри і ізолювало логіку, що має справу з затримками при доступі до пам'яті, тільки в двох інструкціях.

У 70-ті роки XX століття вчені висунули революційну за тими часами ідею створення мікропроцесора, "розуміючого" тільки мінімальну можливу кількість команд.

Задум RISC-процесора (Reduced Instruction Set Computer, комп'ютер зі скороченим набором команд) народився в результаті практичних досліджень частоти використання команд програмістами, проведених в 70-х роках в США та Англії. Їх безпосередній результат - відоме "правило 80/20": у 80% коду типовою прикладної програми використовується лише 20% найпростіших машинних команд з усього доступного набору.

Перший "справжній" RISC-процесор з 31 командою був створений під керівництвом Девіда Паттерсона з Університету Берклі, потім пішов процесор з набором з 39 команд. Вони включали в себе 20-50 тис. транзисторів. Плодами праць Паттерсона скористалася компанія Sun Microsystems, що розробила архітектуру SPARC з 75 командами в кінці 70-х років. У 1981 р. в Станфордском університеті стартував проект MIPS з випуску RISC-процесора з 39 командами. У підсумку була заснована корпорація Mips Computer в середині 80-х років і сконструйований наступний процесор вже з 74 командами.За даними незалежної компанії IDC, в 1992 році архітектура SPARC займала 56% ринку, далі йшли MIPS - 15% і PA-RISC - 12,2%Приблизно в той же час Intel розробила серію 80386, останніх "істинних" CISC-процесорів в сімействі IA-32. Востаннє підвищення продуктивності було досягнуто тільки за рахунок ускладнення архітектури процесора: з 16-розрядної вона перетворилася на 32-розрядну, додаткові апаратні компоненти підтримували віртуальну пам'ять, і додався цілий ряд нових команд.

Історія RISK – процесорів

Перша система, яка може бути названа системою «RISC», - суперкомп'ютер «CDC 6600», який був створений в 1964 році, за десять років до появи відповідного терміна. CDC 6600 мав архітектуру «RISC» всього з двома режимами адресації («регістр + регістр» і «регістр + безпосереднє значення») і 74 кодами команд (тоді як 8086 мав 400 кодів команд). У «CDC 6600» було 11 конвеєрних пристроїв арифметичної і логічної обробки, а також п'ять пристроїв завантаження і два пристрої зберігання. Пам'ять була багатоблокова, тому всі пристрої завантаження - зберігання могли працювати одночасно. Базова тактова частота / частота видачі команд була в 10 разів вище, ніж час доступу до пам'яті. Джим Торнтон і Сеймур Крей, розробники «CDC 6600», створили для нього потужний процесор, що дозволяв швидко обробляти великі обсяги цифрових даних. Головний процесор підтримувався десятьма простими периферійними процесорами, які виконували операції вводу-виводу і інші функції ОС. Пізніше з'явився жарт, що термін «RISC» насправді розшифровується як «Really invented by Seymour Cray» («насправді придуманий Сеймуром Креем»). Ще одна рання машина з архітектурою «RISC» - міні-комп'ютер «Data General Nova», розроблений в 1968 році. Перша спроба створити процесор з архітектурою «RISC» на чіпі була зроблена «IBM» в 1975 році. Ця робота привела до створення сімейства процесорів «IBM 801», які широко використовувалися в різних пристроях «IBM». 801 -й зрештою був випущений у формі чіпа під ім'ям «ROMP» в 1981 році. «ROMP» розшифровується як «Research OPD (Office Product Division) Micro Processor», тобто «дослідницький мікропроцесор», розроблений в департаменті офісних розробок. Як випливає з назви, процесор був розроблений для «міні» - задач, і коли в 1986 році «IBM» випустила на його базі комп'ютер «IBM RT-PC», він працював не дуже добре. Однак за випуском 801 -го процесора послідувало кілька дослідницьких проектів, в результаті одного з яких з'явилася система «POWER».

An IBM PowerPC 601 RISC microprocessor

Майкл Дж. Флінн розглядає першу систему RISC як IBM 801 конструкції, яка почалася в 1975 році Джоном Cocke, і завершено в 1980 році. 801 був в кінцевому рахунку здійснюється у вигляді однокристальних, як ROMP в 1981 році, який стояв на «Дослідження ОПР (Офісна Продукція) Мікропроцесор». Як випливає з назви, цей процесор був розроблений для «міні» завдань, а також використовується в IBM RT -PC в 1986 році, який, виявилося, мав комерційним відмову. Але 801 надихнули кілька науково- дослідних проектів, у тому числі нові в IBM, що в кінцевому підсумку призведе до безлічі команд Power Architecture IBM.

Найбільш суспільні проекти RISC, були результатими дослідницьких програм університетів, які працювали під фінансуванням від VLSI програм DARPA. Програма НВІС, практично невідома сьогодні, призвела до величезної кількісті досягнень у галузі дизайну чіпа, виготовлення, і навіть комп'ютерної графіки. Проект Берклі RISC почалося в 1980 році під керівництвом Девіда Паттерсона і Карло Г. Секвіна.

Берклі RISC був заснований на отриманні продуктивності за рахунок використання конвеєрної і агресивної технології, відомої як регістра віконного. Традиційний процесор, має невелику кількість регістрів, і програма може використовувати будь-який регістр в будь-який час. У процесорі з регістром вікон, існує величезна кількість регістрів, наприклад 128, але програми можуть використовувати тільки невелику кількість з них, наприклад, вісім, в будь-який момент часу. Програма, яка обмежує себе до восьми регістрів на одну процедуру може зробити дуже швидко процедуру і викликає: виклик просто переміщає вікно "вниз" на вісім, в набір з восьми регістрів, використовуваних цієї процедури, і повернення переміщує вікно назад. Проект Беркелі RISC доставлений процесор RISC -I в 1982 році. Складається тільки з 44420 транзисторів (порівняно з середніми близько 100 000 в нових конструкцій CISC епохи) RISC - мав тільки 32 інструкції, і все ж повністю перевершили будь-які інші однодизайні чіпи. Вони розвинули це з 40760 транзисторів, 39 команд RISC - II в 1983 році, яка проходила в три рази швидше, ніж RISC -I.

На початку 1980 -х, значна невизначеність в оточенні поняття RISC, і було неясно, якщо він може мати комерційну майбутнє, але до середини 1980-х років поняття були вже досить зрозуміли, щоб розглядатися як комерційно життєздатним. У 1986 році Hewlett Packard почали використовувати ранню реалізацію PA -RISC в деяких своїх комп'ютерах. У той же час, зусилля Берклі RISC стала настільки добре відомі, що це в кінцевому рахунку стало назвою для всієї концепції і в 1987 році почав свою роботу Sun Microsystems доставки системи з процесором SPARC, безпосередньо на основі системи Берклі RISC -II.

Уряд США «Комітет з інновацій» в області обчислювальної техніки і комунікацій, зробили прийняття концепції RISC в успішній системі SPARC. Успіх SPARC поновив інтерес в IBM, яка випустила нові системи RISC до 1990 і до 1995 року, процесори RISC були основою промисловості в 15 мільярдів доларів.