RISC

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Текущая версия (не проверялась)

У этого термина существуют и другие значения, см. RISC (значения).

RISC (англ. Reduced Instruction Set Computer; неправильно — Reduced Instruction Set Computing) — вычисления с сокращённым набором команд.

Это концепция проектирования процессоров (ЦПУ), которая во главу ставит следующий принцип: более компактные и простые инструкции выполняются быстрее. Простая архитектура позволяет удешевить процессор, поднять тактовую частоту, а также распараллелить исполнение команд между несколькими блоками исполнения (т. н. суперскалярные архитектуры процессоров). Многие ранние RISC-процессоры даже не имели команд умножения и деления. Идея создания RISC процессоров пришла после того, как в 1970-х годах ученые из IBM обнаружили, что многие из функциональных особенностей традиционных ЦПУ игнорировались программистами. Отчасти это был побочный эффект сложности компиляторов. В то время компиляторы могли использовать лишь часть из набора команд процессора. Следующее открытие заключалось в том, что, поскольку некоторые сложные операции использовались редко, они как правило были медленнее, чем те же действия, выполняемые набором простых команд. Это происходило из-за того, что создатели процессоров тратили гораздо меньше времени на улучшение сложных команд, чем на улучшение простых.

Первые RISC-процессоры были разработаны в начале 1980-х годов в Стэнфордском и Калифорнийском университетах США. Они выполняли небольшой (50−100) набор команд, тогда как обычные CISC (Complex Instruction Set Computer) выполняли 100—200.

Характерные особенности RISC-процессоров:

Фиксированная длина машинных инструкций (например, 32 бита) и простой формат команды.
Специализированные команды для операций с памятью — чтения или записи. Операции вида «прочитать-изменить-записать» отсутствуют. Любые операции «изменить» выполняются только над содержимым регистров (т. н. load-and-store архитектура).
Большое количество регистров общего назначения (32 и более).
Отсутствие поддержки операций вида «изменить» над укороченными типами данных — байт, 16-битное слово. Так, например, система команд DEC Alpha содержала только операции над 64-битными словами, и требовала разработки и последующего вызова процедур для выполнения операций над байтами, 16- и 32-битными словами.
Отсутствие микропрограмм внутри самого процессора. То, что в CISC процессоре исполняется микропрограммами, в RISC процессоре исполняется как обыкновенный (хотя и помещенный в специальное хранилище) машинный код, не отличающийся принципиально от кода ядра ОС и приложений. Так, например, обработка отказов страниц в DEC Alpha и интерпретация таблиц страниц содержалась в так называемом PALCode (Privileged Architecture Library), помещенном в ПЗУ. Заменой PALCode можно было превратить процессор Alpha из 64-битного в 32-битный, а также изменить порядок байт в слове и формат входов таблиц страниц виртуальной памяти.

Архитектуры, обычно обсуждаемые в связи с RISC:

Суперскалярные архитектуры (первоначально Sun SPARC, начиная с Pentium использованы в семействе x86). Распараллеливание исполнения команд между несколькими устройствами исполнения, причем решение о параллельном исполнении двух или более команд принимается аппаратурой процессора на этапе исполнения. Эффективное использование такой архитектуры требует специальной оптимизации машинного кода в компиляторе для генерации пар независимых (результат одной не является входом другой) команд.
Архитектуры VLIW (Very Long Instruction Word — Очень Длинное Слово Команды). Отличаются от суперскалярной архитектуры тем, что решение о распараллеливании принимается не аппаратурой на этапе исполнения, а компилятором на этапе генерации кода. Команды очень длинны, и содержат явные инструкции по распараллеливанию нескольких субкоманд на несколько устройств исполнения. Элементы архитектуры содержались в серии PA-RISC. VLIW-процессором в его классическом виде является Itanium, долгое время бывший самым мощным процессором в мире. Разработка эффективного компилятора для VLIW является сложнейшей задачей, решить которую не получалось долгое время. Преимущество VLIW перед суперскалярной архитектурой — компилятор является более сложной и «умной», чем устройства управления процессора, системой, способной хранить больше контекстной информации и принимать более верные решения об оптимизации.

Иные архитектурные решения, типичные для RISC:

Спекулятивное исполнение. При встрече с командой условного перехода процессор исполняет (или по крайней мере читает в кэш инструкций) сразу обе ветви, до тех пор, пока не окончится вычисление управляющего выражения перехода. Позволяет отказаться от простоев конвейера при условных переходах.
Переименование регистров. Каждый регистр процессора на самом деле представляет собой несколько параллельных регистров, хранящих несколько версий значения. Используется для реализации спекулятивного исполнения.

Как оказалось в начале 1990-х годов, RISC-архитектуры позволяют получить большую производительность, чем CISC, за счет использования суперскалярного и VLIW подхода, а также за счет возможности серьезного повышения тактовой частоты DEC Alpha и за счет упрощения кристалла с высвобождением площади под кеш-память, могущую достигнуть огромных размеров. Также RISC-архитектуры позволили сильно снизить энергопотребление процессора за счет уменьшения числа транзисторов (ARM).

Первое время RISC-архитектуры с трудом принимались рынком из-за отсутствия программного обеспечения для них. Эта проблема была быстро решена переносом UNIX-подобных операционных систем (SunOS) на RISC архитектуры.

В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, к примеру, ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и PowerPC. Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции x86-процессоров в более простой набор внутренних инструкций RISC.

С отказом компаний Apple и Sun от использования серии CISC-процессоров Motorola 68xxx (в пользу PowerPC у Apple и в пользу SPARC у Sun), приведшем к фактическому прекращению производства серии, а также с переводом внутренней архитектуры серии x86 на суперскалярную RISC-архитектуру, подавляющее большинство существующих процессоров используют архитектуру RISC. Позже Apple перешла на x86-архитектуру, внешне являющуюся CISC. Также, такие архитектуры, как MIPS и DEC Alpha, прекратили своё существование.^[1]^[2]