Архитектуры CISC и RISC: братанье после битвы?
Организация первых моделей процессоров - i8086/8088 - была направлена, в частности, на сокращение объема программ, критичного для систем того времени, отличавшихся малой оперативной памятью. Расширение спектра операций, реализуемых системой команд, позволило уменьшить размер программ, а также трудоемкость их написания и отладки. Однако увеличение числа команд повысило трудоемкость разработки их топологических и микропрограммных реализаций. Последнее проявилось в удлинении сроков разработки CISC-процессоров, а также в проявлении различных ошибок в их работе. Кроме того, нерегулярность потока команд ограничила развитие топологии временным параллелизмом обработки инструкций на конвейере "выборка команды- дешифрация команды- выборка данных- вычисление- запись результата".
Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает "чипы с сокращенной системой команд" (Reduced Instruction Set Computer). Одновременно "классические" процессоры получили обозначение CISC (Complex Instruction Set Computer) - компьютер со сложным набором инструкций.
Сокращение нерегулярности потока команд позволило обогатить топологию RISC-процессоров пространственным параллелизмом, специализированными аппаратными АЛУ (ALU - блок логики и арифметики = Arithmetic (and) Logic Unit), независимыми кэш данных и команд, раздельными шинами ввода-вывода. Последние, в частности, увеличили длину конвейеров команд. Все это повысило и производительность - увеличением числа операций, выполняемых за один такт, и быстродействие - сокращением пути транзактов - RISC-процессоров. При этом срок разработки данных чипов свидетельствует о том, что ее трудоемкость меньше, чем в случае CISC-процессоров.
На мировых рынках CISC-процессоры представлены, в основном, клонами процессоров Intel серии x86, производимыми AMD, Cyrix, а RISC - чипами Alpha, PowerPC, SPARC. Уступая во многом последним, процессоры x86 сохранили лидерство на рынке персональных систем лишь благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого в начале 90-х годов составила несколько миллиардов долларов США. В свою очередь, достоинства RISC-процессоров укрепили их позиции на более молодом рынке высокопроизводительных машин.
Несмотря на формальное разделение "сфер влияния", между представителями этих архитектур в начале 90-х годов началась острая конкуренция за превентивное улучшение характеристик. В первую очередь, производительности и ее отношения к трудоемкости разработки процессоров. Следуя принципу "бить врага его оружием", создатели и CISC-, и RISC-процессоров нередко боролись с конкурентами, заимствуя их удачные решения.
Первыми на то решились разработчики Intel, реализовавшие в i486 пространственный параллелизм вычислений с фиксированной и плавающей запятой. Поддержка каждого АЛУ своей шиной данных/команд и регистровым блоком повысила производительность i486 одновременным выполнением указанных команд. Кроме того, интеграция кэш и очереди команд позволила поднять частоту ядра процессора в 2-3 раза в сравнении с системной шиной. Однако совместное размещение данных и команд ограничило эффективность кэш необходимостью его полной перезагрузки после выполнения команд переходов.
Для устранения недостатка в Pentium реализованы раздельные кэш для команд и данных, позволяющие после переходов перезагружать лишь команды - такое решение называется Гарвардской архитектурой, а также предсказание переходов, снижающее частоту перезагрузок. Последнее достигается предварительной загрузкой в кэш команд с обоих разветвлений. Введение второго целочисленного тракта, состоящего из АЛУ, адресного блока, шин данных/команд и работающего на общий блок регистров, повысило производительность поддержкой параллельной обработки целочисленных данных. Развитием данной тенденции стало обогащение Pentium MMX мультимедийным трактом, образованным АЛУ, шинами данных/команд и регистровым файлом.
При этом в случае выборки двух целочисленных команд, зависящих по данным, каждая из них выполняется последовательно, что снижает эффективность работы процессора. Частично поправило ситуацию создание оптимизирующих рекомпиляторов, например, Pen_Opt фирмы Intel, разделяющих по возможности такие команды.
Реализация описанного управления обработкой команд CISC-формата вызвала дополнительный рост трудоемкости разработки Pentium в сравнении с i8086/i486, что привело не только к увеличению ее реального срока на 27% в сравнении с ожидаемым, но и к проявлению ошибок в первых моделях данного процессора.
Учтя это, компания Intel реализовала в Pentium Pro RISC- подобную организацию вычислений. Интерпретация команд х86 внутренними - RISC86 - инструкциями VLIW-формата, помимо снижения нерегулярности их потока, обеспечила синхронную загрузку четырех операционных - по два с плавающей и фиксированной запятой - АЛУ этого чипа. Термин VLIW расшифровывается как "очень длинное командное слово" (Very Long Instruction Word). Инструкции этого формата содержат команды для всех параллельных АЛУ.
Обогащение управления обработкой предвыборкой данных и команд, предполагаемых к обработке в ближайшие 20 тактов, повысило регулярность загрузки вычислительных трактов. В свою очередь, осуществление предвыборки из интегрированного на кристалле кэш второго уровня, обслуживаемого раздельными шинами "интерфейс-кэш" и "кэш-АЛУ" и работающего на частоте АЛУ, повысило быстродействие подготовки команд в сравнении с внешними кэш. Дополнительное повышение производительности Pentium Pro обеспечило увеличение длины команд до 11 ступеней введением ступеней трансляции и предвыборки. Кроме того, интеграция кэш второго уровня позволила умножать частоту ядра в 5-6 раз.
В архитектуре Р6 RISC-решения впервые в семействе х86 перестали быть лишь дополнением исконных CISC-средств повышения производительности - роста разрядности, отложенной записи шины и других. Поэтому частица PRO в названии первого процессора этой серии обозначает "Полноценная RISC-архитектура" (Precision RISC Organization).
Топологические новинки Pentium II - интеграция тракта MMX, мультипроцессорный интерфейс Xeon, вынесение кэш второго уровня на кристалл в корпусе чипа, как и полное устранение кэш второго уровня в Celeron, - не имеют в данном случае качественной роли и направлены на оптимизацию отношения характеристик этих процессоров к их цене.
При этом сокращение нерегулярности потока RISC86-инструкций ограничило рост требований к развитию управления вычислениями в сравнении с Pentium. Одновременно снижение трудоемкости разработки аппаратно-программных реализаций алгоритмов работы Pentium Pro, достигнутое развитием САПР, ослабило влияние развития обработки данных, оцениваемого ростом объема информации, заложенной в реализациях этой обработки, на общую трудоемкость разработки процессоров, оцениваемую ее длительностью.
Последнее создало возможность оптимизации соотношения характеристик чипов и их трудоемкости не снижением ограничения внедрения прогрессивных решений в CISC-архитектуру или ограничения функциональных возможностей RISC-процессоров, а ростом характеристик, достигаемым сочетанием преимуществ упомянутых архитектур.
Сказанное иллюстрирует и организация современных RISC-процессоров. Их отличает, в данном случае, развитие систем команд с целью сохранения иерархической совместимости и снижения трудоемкости разработки программ. Это сближает технологии обработки команд процессорами упомянутых архитектур. Например, SuperSparc взяли от последних моделей х86 предсказание переходов и предварительную интерпретацию кода.
Таким образом, развиваясь, каждая из рассмотренных архитектур, "отказавшись" от своих черт - CISC от скалярности вычислений, RISC от "простоты" системы команд, - приобрела лучшие черты конкурента, что повысило характеристики ее представителей.
Это подтверждает и процессор Merced, разрабатываемый недавними противниками - Intel и Hewlett Packard. Имеющиеся сведения позволяют предположить, что его архитектура продолжит тенденции Pentium Pro по оптимизации обработки внутренних VLIW-подобных команд реализацией эффективных архитектурных решений при одновременной оптимизации преобразования "внешних" инструкций. Особо отмечаются намерения создания двух вариантов этого чипа, различающихся лишь множеством этих инструкций. Первый будет совместим с CISC-семейством x86, второй - с RISC-процессорами Alpha.
Будучи "един в двух лицах", Merced ознаменует прекращение соперничества CISC и RISC, в ходе которого представители данных архитектур улучшили свои характеристики реализацией лучших аппаратно-програм-мных решений конкурентов. Это позволяет предположить, что дальнейшее развитие массовых процессоров пройдет по пути развития топологических и микропрограм-мных решений вычислительного ядра RISC-организации при одновременном повышении возможностей CISC-подобной "внешней" системы команд. Подготовлено по материаламжурнала PC
Эти недостатки обусловили необходимость разработки альтернативной архитектуры, нацеленной, прежде всего, на снижение нерегулярности потока команд уменьшением их общего количества. Это было реализовано в RISC-процессорах, название которых означает "чипы с сокращенной системой команд" (Reduced Instruction Set Computer). Одновременно "классические" процессоры получили обозначение CISC (Complex Instruction Set Computer) - компьютер со сложным набором инструкций.
Сокращение нерегулярности потока команд позволило обогатить топологию RISC-процессоров пространственным параллелизмом, специализированными аппаратными АЛУ (ALU - блок логики и арифметики = Arithmetic (and) Logic Unit), независимыми кэш данных и команд, раздельными шинами ввода-вывода. Последние, в частности, увеличили длину конвейеров команд. Все это повысило и производительность - увеличением числа операций, выполняемых за один такт, и быстродействие - сокращением пути транзактов - RISC-процессоров. При этом срок разработки данных чипов свидетельствует о том, что ее трудоемкость меньше, чем в случае CISC-процессоров.
На мировых рынках CISC-процессоры представлены, в основном, клонами процессоров Intel серии x86, производимыми AMD, Cyrix, а RISC - чипами Alpha, PowerPC, SPARC. Уступая во многом последним, процессоры x86 сохранили лидерство на рынке персональных систем лишь благодаря совместимости с программным обеспечением младших моделей, общая стоимость которого в начале 90-х годов составила несколько миллиардов долларов США. В свою очередь, достоинства RISC-процессоров укрепили их позиции на более молодом рынке высокопроизводительных машин.
Несмотря на формальное разделение "сфер влияния", между представителями этих архитектур в начале 90-х годов началась острая конкуренция за превентивное улучшение характеристик. В первую очередь, производительности и ее отношения к трудоемкости разработки процессоров. Следуя принципу "бить врага его оружием", создатели и CISC-, и RISC-процессоров нередко боролись с конкурентами, заимствуя их удачные решения.
Первыми на то решились разработчики Intel, реализовавшие в i486 пространственный параллелизм вычислений с фиксированной и плавающей запятой. Поддержка каждого АЛУ своей шиной данных/команд и регистровым блоком повысила производительность i486 одновременным выполнением указанных команд. Кроме того, интеграция кэш и очереди команд позволила поднять частоту ядра процессора в 2-3 раза в сравнении с системной шиной. Однако совместное размещение данных и команд ограничило эффективность кэш необходимостью его полной перезагрузки после выполнения команд переходов.
Для устранения недостатка в Pentium реализованы раздельные кэш для команд и данных, позволяющие после переходов перезагружать лишь команды - такое решение называется Гарвардской архитектурой, а также предсказание переходов, снижающее частоту перезагрузок. Последнее достигается предварительной загрузкой в кэш команд с обоих разветвлений. Введение второго целочисленного тракта, состоящего из АЛУ, адресного блока, шин данных/команд и работающего на общий блок регистров, повысило производительность поддержкой параллельной обработки целочисленных данных. Развитием данной тенденции стало обогащение Pentium MMX мультимедийным трактом, образованным АЛУ, шинами данных/команд и регистровым файлом.
При этом в случае выборки двух целочисленных команд, зависящих по данным, каждая из них выполняется последовательно, что снижает эффективность работы процессора. Частично поправило ситуацию создание оптимизирующих рекомпиляторов, например, Pen_Opt фирмы Intel, разделяющих по возможности такие команды.
Реализация описанного управления обработкой команд CISC-формата вызвала дополнительный рост трудоемкости разработки Pentium в сравнении с i8086/i486, что привело не только к увеличению ее реального срока на 27% в сравнении с ожидаемым, но и к проявлению ошибок в первых моделях данного процессора.
Учтя это, компания Intel реализовала в Pentium Pro RISC- подобную организацию вычислений. Интерпретация команд х86 внутренними - RISC86 - инструкциями VLIW-формата, помимо снижения нерегулярности их потока, обеспечила синхронную загрузку четырех операционных - по два с плавающей и фиксированной запятой - АЛУ этого чипа. Термин VLIW расшифровывается как "очень длинное командное слово" (Very Long Instruction Word). Инструкции этого формата содержат команды для всех параллельных АЛУ.
Обогащение управления обработкой предвыборкой данных и команд, предполагаемых к обработке в ближайшие 20 тактов, повысило регулярность загрузки вычислительных трактов. В свою очередь, осуществление предвыборки из интегрированного на кристалле кэш второго уровня, обслуживаемого раздельными шинами "интерфейс-кэш" и "кэш-АЛУ" и работающего на частоте АЛУ, повысило быстродействие подготовки команд в сравнении с внешними кэш. Дополнительное повышение производительности Pentium Pro обеспечило увеличение длины команд до 11 ступеней введением ступеней трансляции и предвыборки. Кроме того, интеграция кэш второго уровня позволила умножать частоту ядра в 5-6 раз.
В архитектуре Р6 RISC-решения впервые в семействе х86 перестали быть лишь дополнением исконных CISC-средств повышения производительности - роста разрядности, отложенной записи шины и других. Поэтому частица PRO в названии первого процессора этой серии обозначает "Полноценная RISC-архитектура" (Precision RISC Organization).
Топологические новинки Pentium II - интеграция тракта MMX, мультипроцессорный интерфейс Xeon, вынесение кэш второго уровня на кристалл в корпусе чипа, как и полное устранение кэш второго уровня в Celeron, - не имеют в данном случае качественной роли и направлены на оптимизацию отношения характеристик этих процессоров к их цене.
При этом сокращение нерегулярности потока RISC86-инструкций ограничило рост требований к развитию управления вычислениями в сравнении с Pentium. Одновременно снижение трудоемкости разработки аппаратно-программных реализаций алгоритмов работы Pentium Pro, достигнутое развитием САПР, ослабило влияние развития обработки данных, оцениваемого ростом объема информации, заложенной в реализациях этой обработки, на общую трудоемкость разработки процессоров, оцениваемую ее длительностью.
Последнее создало возможность оптимизации соотношения характеристик чипов и их трудоемкости не снижением ограничения внедрения прогрессивных решений в CISC-архитектуру или ограничения функциональных возможностей RISC-процессоров, а ростом характеристик, достигаемым сочетанием преимуществ упомянутых архитектур.
Сказанное иллюстрирует и организация современных RISC-процессоров. Их отличает, в данном случае, развитие систем команд с целью сохранения иерархической совместимости и снижения трудоемкости разработки программ. Это сближает технологии обработки команд процессорами упомянутых архитектур. Например, SuperSparc взяли от последних моделей х86 предсказание переходов и предварительную интерпретацию кода.
Таким образом, развиваясь, каждая из рассмотренных архитектур, "отказавшись" от своих черт - CISC от скалярности вычислений, RISC от "простоты" системы команд, - приобрела лучшие черты конкурента, что повысило характеристики ее представителей.
Это подтверждает и процессор Merced, разрабатываемый недавними противниками - Intel и Hewlett Packard. Имеющиеся сведения позволяют предположить, что его архитектура продолжит тенденции Pentium Pro по оптимизации обработки внутренних VLIW-подобных команд реализацией эффективных архитектурных решений при одновременной оптимизации преобразования "внешних" инструкций. Особо отмечаются намерения создания двух вариантов этого чипа, различающихся лишь множеством этих инструкций. Первый будет совместим с CISC-семейством x86, второй - с RISC-процессорами Alpha.
Будучи "един в двух лицах", Merced ознаменует прекращение соперничества CISC и RISC, в ходе которого представители данных архитектур улучшили свои характеристики реализацией лучших аппаратно-програм-мных решений конкурентов. Это позволяет предположить, что дальнейшее развитие массовых процессоров пройдет по пути развития топологических и микропрограм-мных решений вычислительного ядра RISC-организации при одновременном повышении возможностей CISC-подобной "внешней" системы команд. Подготовлено по материаламжурнала PC
Компьютерная газета. Статья была опубликована в номере 05 за 1999 год в рубрике hard :: процессоры
