duced Instruction Set Computer – компьютер с сокращенным набором ко-
манд. RISC противопоставлялся CISC (Complex Instruction Set Computer –
компьютер с полным набором команд). В качестве примера CISC можно привести VAX, который доминировал в то время в научных компьютерных центрах. На сегодняшний день мало кто считает, что главное различие RISC
иCISC состоит в количестве команд, но название сохраняется до сих пор.
Сэтого момента началась грандиозная идеологическая война между сторонниками RISC и разработчиками VAX, Intel и больших IBM. По их мнению, наилучший способ разработки компьютеров – включение туда небольшого количества простых команд, каждая из которых выполняется за один цикл тракта данных, т.е. берет два регистра, производит над ними ка- кую-либо арифметическую или логическую операцию (например, сложения или логическое И) и помещает результат обратно в регистр. В качестве аргумента они утверждали, что даже если RISC должна выполнять 4 или 5 команд вместо одной, которую выполняет CISC, притом что команды RISC выполняются в 10 раз быстрее (поскольку они не интерпретируются), он выигрывает в скорости. Следует также отметить, что к этому времени скорость работы основной памяти приблизилась к скорости специальных управляющих постоянных запоминающих устройств, потому недостатки интерпретации были налицо, что повышало популярность компьютеров RISC.
Учитывая преимущества производительности RISC, можно было бы предположить, что такие компьютеры, как Alpha компании DEC, стали доминировать над компьютерами CISC (Pentium и т.д.) на рынке. Однако ничего подобного не произошло. Возникает вопрос: почему?
Во-первых, компьютеры RISC были несовместимы с другими моделями, а многие компании вложили миллиарды долларов в программное обеспечение для продукции Intel. Во-вторых, как ни странно, компания Intel сумела воплотить те же идеи в архитектуре CISC. Процессоры Intel, начиная с 486-го, содержат ядро RISC, которое выполняет самые простые (и обычно самые распространенные) команды за один цикл тракта данных, а по обычной технологии CISC интерпретируются более сложные команды. В результате обычные команды выполняются быстро, а более сложные и редкие – медленно. Хотя при таком «гибридном» подходе работа происходит не так быстро, как у RISC, данная архитектура имеет ряд преимуществ, поскольку позволяет использовать старое программное обеспечение без изменений.
Существуют также ещё и MISC-процессоры (Minimum Instruction Set Computer) – вычисления с минимальным набором команд. Дальнейшее развитие идей команды Чака Мура, который полагает, что принцип простоты, изначальный для RISC процессоров, слишком быстро отошёл на задний план. В пылу борьбы за максимальное быстродействие, RISC догнал и перегнал многие CISC процессоры по сложности. Архитектура MISC строится на стековой вычислительной модели с ограниченным числом команд (примерно 20–30 команд).
16
Гарвардская архитектура и архитектура фон Неймана. В 30-х годах правительство США поручило Гарвардскому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Победила разработка Принстонского университета (более известная как архитектура фон Неймана, названная так по имени разработчика, первым предоставившего отчет об архитектуре), т.к.она была проще в реализации. Гарвардская архитектура не использовалась вплоть до конца 70-х годов.
Архитектура фон Неймана (англ. Von Neumann architecture) – широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памяти компьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «Машина фон Неймана», однако соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных. Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т.п. Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени её появления использование архитектур, основанных на наборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.
В 1946 году группа учёных во главе с Джоном фон Нейманом (Герман Голдстайн, Артур Беркс) опубликовала статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций. До этого машины хранили данные в десятеричном виде) [1], выдвигалась идея использования программами общей памяти. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «Принципы фон Неймана»:
17
–принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности;
–принцип однородности памяти. Как программы (команды), так и данные хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления - чаще всего двоичной). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными;
–принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относят к типу фоннеймановских. В середине 40-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Муровской школе электрических разработок (The Moore School of Electrical Engineering) в Университете шта-
та Пенсильвания (The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру «Эниак», который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в 1946 году было объявлено о создании «Эниака». По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине «EDVAC», однако до 1953 года «EDVAC» не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти. Другие науч- но-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми 5 компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были: «Манчестерский Марк I». Прототип («Манчестерское дитя») Университет Манчестера (The University of Manchester) Великобритания, 21 июня 1948 года; «EDSAC». Кембриджский университет
(The Cambridge University). Великобритания, 6 мая 1949 года; «BINAC».
США, апрель или август 1949 года; «CSIR Mk 1». Австралия, ноябрь 1949
года; «SEAC». США, 9 мая 1950 года.
Гарвардская архитектура была разработана Говардом Эйкеном в конце 1930-х годов в Гарвардском университете с целью увеличить скорость выполнения вычислительных операций и оптимизировать работу памяти. Типичные операции (сложение и умножение) требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку двух операндов, выбор инструкции и её выполнение, и, наконец, сохранение результата. Идея, реализованная Эйкеном, заключалась в физическом разделении линий переда-
18
чи команд и данных. В первом компьютере Эйкена Марк I для хранения инструкций использовалась перфорированная лента, а для работы с данными – электромеханические регистры. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.
Следующим шагом была модифицированная гарвардская архитектура. Описанная схема реализации доступа к памяти имеет один очевидный недостаток – высокую стоимость. При разделении каналов передачи адреса и данных на кристалле процессора последний должен иметь в два раза больше выводов. Способом решения этой проблемы стала идея использовать общую шину данных и шину адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и две шины адреса. Такую концепцию стали называть модифицированной Гарвардской архитектурой. Именно такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Еще дальше по пути удешевления стоимости пошли при создании однокристалльных ЭВМ – микроконтроллеров. В них одна шина адреса и данных применяется и внутри кристалла. В этих микросхемах более важным параметром является не быстродействие, а надежность работы устройства. Надежность достигается невозможностью случайного стирания программы в процессе ее выполнения. Разделение шин в модифицированной Гарвардской структуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.
Далее была разработана расширенная гарвардская архитектура. Часто требуется выбрать три составляющие : два операнда и инструкцию (в алгоритмах цифровой обработки сигналов это наиболее распространенная задача в БПФ и КИХ, БИХ фильтрах). Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция — следовательно, обе шины остаются свободными и появляется возможность передать два операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило назва-
ние «Super Harvard Architecture» («SHARC») – расширенная Гарвардская архитектура. Примером могут служить процессоры «Analog Devices»: ADSP-21xx – модифицированная Гарвардская Архитектура, ADSP-21xxx («SHARC») – расширенная Гарвардская Архитектура.
Существуют гибридные модификации архитектур, сочетающие некоторые достоинства как Гарвардской, так и фон-неймановской архитектур. Например, современные варианты процессоров ARM, как правило, обладают раздельной кэш-памятью для инструкций и данных, что позволяет им за один такт получать одновременно как команду, так и данные для её выполнения, т.е. процессорное ядро, формально, является гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-неймановское, что упрощает написание программ. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных, что упрощает конструкцию
19
системы. Современные варианты таких процессоров могут иногда содержать встроенные контроллеры сразу нескольких разнотипных шин для работы с различными типами памяти, например DDR RAM и Flash. Тем не менее, и в этом случае шины, как правило, используются и для передачи команд, и для передачи данных без разделения, что делает данные процессоры еще более близкими к фон-неймановской архитектуре при сохранении плюсов Гарвардской архитектуры. Первым компьютером, в котором была использована идея гарвардской архитектуры, был Марк I. Гарвардская архитектура используется в ПЛК и микроконтроллерах, таких как Atmel AVR, Intel 4004, Intel 8051.
Конвейерная архитектура. Конвейерная архитектура (pipelining) была введена в центральный процессор с целью повышения быстродействия. Обычно для выполнения каждой команды требуется осуществить некоторое количество однотипных операций, например: выборка команды из ОЗУ, дешифрация команды, адресация операнда в ОЗУ, выборка операнда из ОЗУ, выполнение команды, запись результата в ОЗУ. Каждую из этих операций сопоставляют одной ступени конвейера. Например, конвейер микропроцессора с архитектурой MIPS-I содержит четыре стадии:
–получение и декодирование инструкции (Fetch);
–адресация и выборка операнда из ОЗУ (Memory access);
–выполнение арифметических операций (Arithmetic Operation);
–сохранение результата операции (Store).
После освобождения k-й ступени конвейера она сразу приступает к работе над следующей командой. Если предположить, что каждая ступень конвейера тратит единицу времени на свою работу, то выполнение команды на конвейере длиной в n ступеней займёт n единиц времени, однако в самом оптимистичном случае результат выполнения каждой следующей команды будет получаться через каждую единицу времени.
Действительно, при отсутствии конвейера выполнение команды займёт n единиц времени (т.к. для выполнения команды по прежнему необходимо выполнять выборку, дешифрацию и т.д.), и для исполнения m команд понадобится единиц времени; при использовании конвейера (в самом оптимистичном случае) для выполнения m команд понадобится всего лишь n + m единиц времени.
Суперскалярная архитектура. Способность выполнения нескольких машинных инструкций за один такт процессора. Появление этой технологии привело к существенному увеличению производительности.
Параллельная архитектура. Архитектура фон Неймана обладает тем недостатком, что она последовательная. Какой бы огромный массив данных ни требовалось обработать, каждый его байт должен будет пройти через центральный процессор, даже если над всеми байтами требуется провести одну и ту же операцию. Этот эффект называется узким горлышком фон
20