Классификация архитектур современных микропроцессоров. Архитектуры с полным и сокращенным набором команд, суперскалярная архитектура

По системам команд и способам адресации различают:

- система с полным набором команд CISC (Complex Instruction Set Computer);

- система с сокращенным набором команд RISC (Reduced Instruction Set Computer);

- суперскалярные архитектуры VLIW (Very Long Instruction Word);

CISC архитектура выполняет большой набор разноформатных команд и использует множество способов адресации. Эта архитектура начала развиваться в сороковых годах ХХ века с появлением микропроцессора. Типичный представитель – Intel Pentium, выполняющий до 200 различных команд, которые имеют длину от 1 до 15 байт и реализует более 10 способов адресации. Такое разнообразие в системе команд и способах адресации позволяет программистам создавать наиболее эффективные алгоритмы для решения различных задач.

Недостатки системы: относительно сложная аппаратура, это приводит к увеличению стоимости кристалла и снижению производительности. Известно, что большинство команд и способов адресации в конкретной задаче не используются. При этом устройство управления занимает от 50-70 % кристалла. Все недостатки привели к появлению в начале восьмидесятых годов RISC архитектуры с сокращенным набором команд. Для нее характерно использование ограниченных команд фиксированного формата, сокращения числа способов реализации, количество команд не превышает 100.

Недостатки системы:

1) большая разница между машинным кодом и языком высокого уровня, из этого следует усложнение компилятора;

2) известно, что наиболее часто используемые команды – команды загрузки из памяти, следовательно, чтобы повысить производительность процессор должен обращаться не к памяти, а к регистру общего назначения.

Существует 2 способа:

- аппаратный способ: наращивание регистра общего назначения;

- программный способ: ложится на компилятор.

В этом случае для каждого участника программы нужно обеспечить своевременную загрузку операндов в РОН.

3) использование конвейерного выполнения команд

VLIW архитектура появиласьв начале девяностых годов ХХ века, идея заключалась в использовании длинных командных слов (до 128 бит). Отдельные поля этого слова содержат коды, обеспечивающие выполнение нескольких операций, т.е. в структуре процессора есть несколько операционных устройств, способных параллельно выполнять операции.

В качестве признака используется вариант реализации памяти и способы выборки команд и данных. Различают:

- принстонскую архитектуру (архитектура Фон-Неймана);

- гарвардская архитектура.

Для архитектуры Фон-Неймана характерно использование общей памяти для хранения команд и данных. Для обращения к этой памяти используется общая шина. Достоинства данной архитектуры:

- наличие общей памяти позволяет активно распределять ее между командами и данными;

- использование единой шины упрощает отладку системы и контроль.

Главный недостаток этой архитектуры – из-за общей шины команды и данные из памяти выбираются последовательно, при этом системная шина становится «узким местом».

Для гарвардской архитектуры характерно физическое разделение памяти команд и данных. Каждая память соединена с процессором отдельной шиной. Это позволяет совмещать по времени выборку команд и чтение/запись данных. Недостатки данной архитектуры:

- фиксированный объем памяти команд и данных;

- более сложная структура из-за необходимости проводить отдельные шины.

В настоящее время гарвардская архитектура широко применяется на уровне процессора (отдельно кэш-данные и кэш-команды), а на уровне системы и системы общего назначения применяется архитектура Фон-Неймана.