Natijada, cisc protsessorlarini tashkil etishning quyidagi xususiyatlari rivojlandi

CISC (Complete Instruction Set Computing) - to'liq ko'rsatmalar to'plamiga ega bo'lgan protsessor arxitekturasining bir turi. CISC arxitekturasining asoschisi IBM/360 arxitekturasiga ega IBM hisoblanadi. Ushbu yondashuv bilan protsessor ko'rsatmalar to'plamidan har qanday o'zboshimchalik bilan murakkab buyruqni bajarish protsessorning o'zida apparatda amalga oshiriladi.

CISC-arxitekturasining asosiy g'oyasi uning nomini aks ettiradi - "to'liq ko'rsatmalar to'plami". Ushbu arxitekturada ular har bir mumkin bo'lgan (odatiy) ma'lumotlarni qayta ishlash harakati uchun alohida mashina ko'rsatmalariga ega bo'lishga moyil.

Tarixiy jihatdan CISC arxitekturasi birinchilardan biri edi. Protsessorlarni takomillashtirish imkon qadar turli xil buyruqlarni bajarishga qodir VM larni yaratish yo'lidan bordi. Bu assembler tilida (ya'ni deyarli mashina ko'rsatmalari darajasida) dasturlar yozuvchi dasturchilarning ishini soddalashtirdi. Murakkab buyruqlardan foydalanish dastur hajmini va ishlab chiqish vaqtini qisqartirish imkonini berdi.

Natijada, CISC protsessorlarini tashkil etishning quyidagi xususiyatlari rivojlandi:

har biri markaziy protsessorning bir necha sikllarida bajariladigan ko'p sonli turli xil mashina ko'rsatmalari (yuzlab);
dasturlashtiriladigan mantiqqa ega boshqaruv qurilmasi;
umumiy maqsadli registrlarning kichik soni;
turli uzunlikdagi turli xil buyruq formatlari;
ikki manzilli manzillashning ustunligi;
operandlarni manzillashning ilg'or mexanizmi, shu jumladan bilvosita manzillashning turli usullari.
Biroq, CISC yondashuvi ba'zi buyruqlarni sof apparatda bajarish imkonsiz bo'lishiga olib keldi (bunday uskunaning o'rtacha murakkabligini hisobga olgan holda). Natijada, protsessorlarda eng murakkab ko'rsatmalarni oddiyroq ko'rsatmalar ketma-ketligi bilan almashtiradigan bloklar paydo bo'ldi. Bundan tashqari, amaliyot shuni ko'rsatdiki, dasturlarni yozishda ko'plab murakkab buyruqlar shunchaki talab qilinmagan bo'lib chiqdi. Nihoyat, buyruqlarning yuqori murakkabligi va ularning ko'pligi tufayli VM boshqaruv moslamasini faqat dasturlashtiriladigan mantiq asosida, ya'ni "sekin" boshqaruv xotirasi yordamida qurish kerak edi. Oxirgi holat protsessorning soat chastotasini oshirish imkoniyatini sezilarli darajada cheklab qo'ydi. Bu omillarning barchasi RISC arxitekturasiga burilishga olib keldi. Shu bilan birga, CISC arxitekturasining bir qator inkor etilmaydigan afzalliklari o'z dolzarbligini saqlab qoladi (birinchi navbatda, dasturiy ta'minotni ishlab chiquvchilar nazarida). Shuning uchun etakchi VM ishlab chiqaruvchilari (Intel, AMD, IBM va boshqalar) hali ham o'zlarining so'nggi ishlanmalarida CISC yondashuvidan voz kechishmaydi.
CISC (ingliz. Complex instruction set computing yoki murakkab ko'rsatmalar to'plami kompyuter) protsessor arxitekturasining bir turi bo'lib, quyidagi xususiyatlar to'plami bilan tavsiflanadi:

aniqlanmagan buyruq uzunligi qiymati;

arifmetik amallar bitta buyruqda kodlangan;
har biri qat'iy belgilangan funktsiyani bajaradigan oz sonli registrlar.
CISC ko'rsatmalar to'plamini qurish texnikasi protsessor arxitekturasining boshqa keng tarqalgan turi - soddalashtirilgan ko'rsatmalar to'plamidan foydalanadigan RISCda qo'llaniladigan texnikaga ziddir.

CISC arxitekturasining tipik vakillari x86 instruksiyaga asoslangan protsessorlari, Motorola MC680x0 protsessorlari, zSeries meynfreym protsessorlaridir.

Shu bilan birga, kech x86 protsessorlari (Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom), garchi ular CISC bilan mos kelsa ham, RISC yadroli protsessorlardir va rasmiy ravishda gibrid hisoblanadi[1]. Bunday gibrid CISC protsessorlarida CISC ko'rsatmalari ichki RISC ko'rsatmalari to'plamiga aylantiriladi, bitta x86 ko'rsatmasi bir nechta RISC ko'rsatmalarini yaratishi mumkin (P6 tipidagi protsessorlarda, ko'p hollarda to'rtta RISC ko'rsatmalari), ko'rsatmalar bajariladi. konveyerda bir vaqtning o'zida superskalyar bir nechta bo'laklar.

CISC arxitekturasining RISC bilan solishtirganda asosiy kamchiligi parallel hisoblashlarga nisbatan murakkabroq yondashuv hisoblanadi.

CISC protsessorlari
Asosiy maqola: CISC
Kompleks ko'rsatmalar to'plami kompyuter - murakkab buyruqlar to'plami bilan hisob-kitoblar. Murakkab ko'rsatmalar to'plamiga asoslangan protsessor arxitekturasi. CISC ning tipik vakillari x86 oilasining mikroprotsessorlaridir (garchi ko'p yillar davomida bu protsessorlar faqat tashqi ko'rsatmalar tizimi tomonidan CISC bo'lgan bo'lsa ham: bajarish jarayonining boshida murakkab ko'rsatmalar bajariladigan oddiy mikro operatsiyalarga (MOS) bo'linadi. RISC yadrosi).
Protsessorlar ishlab chiqarishning rivojlanish tarixi boshqa elektron komponentlar va sxemalarni ishlab chiqarish texnologiyasining rivojlanish tarixiga to'liq mos keladi.

1940-yillardan 1950-yillarning oxirigacha bo'lgan davrga ta'sir ko'rsatgan birinchi bosqich elektromexanik o'rni, ferrit yadrolari (xotira qurilmalari) va vakuum naychalari yordamida protsessorlarni yaratish edi. Ular tokchalarga o'rnatilgan modullardagi maxsus uyalar bilan o'rnatildi. Supero'tkazuvchilar bilan bog'langan ko'p sonli bunday tokchalar jami protsessorni ifodalaydi. O'ziga xos xususiyatlar past ishonchlilik, past tezlik va yuqori issiqlik tarqalishi edi.

1950-yillarning oʻrtalaridan 1960-yillarning oʻrtalarigacha boʻlgan ikkinchi bosqich tranzistorlarni joriy etish edi. Transistorlar allaqachon zamonaviy ko'rinishga yaqin taxtalarga o'rnatilgan, tokchalarga o'rnatilgan. Avvalgidek, o'rtacha protsessor bir nechta shunday raflardan iborat edi. Ishlash samaradorligini oshirish, ishonchlilikni oshirish, quvvat sarfini kamaytirish.

1960-yillarning o'rtalarida paydo bo'lgan uchinchi bosqich mikrochiplardan foydalanish edi. Dastlab, oddiy tranzistorlar va rezistorlar yig'malarini o'z ichiga olgan past darajadagi integratsiyaga ega mikrosxemalardan foydalanilgan, keyin texnologiya ishlab chiqilgan sari raqamli sxemaning alohida elementlarini amalga oshiradigan mikrosxemalardan foydalanila boshlandi (birinchi navbatda, elementar kalitlar va mantiqiy elementlar, keyin esa murakkabroq). elementlar, elementar registrlar, hisoblagichlar, topuvchilar), keyinchalik protsessorning funktsional bloklarini o'z ichiga olgan mikrosxemalar paydo bo'ldi - mikrodastur qurilmasi, arifmetik mantiq birligi, registrlar, ma'lumotlar bilan ishlash qurilmalari va buyruq avtobuslari.

To'rtinchi bosqich, 1970-yillarning boshlarida, texnologiyaning yutug'i tufayli LSI va VLSI (mos ravishda katta va juda katta integral mikrosxemalar), mikroprotsessor - mikrosxema yaratildi, uning kristalida barcha asosiy elementlar joylashgan. va protsessor bloklari jismoniy joylashgan edi. Intel 1971 yilda kalkulyatorlarda foydalanish uchun mo'ljallangan dunyodagi birinchi 4 bitli 4004 mikroprotsessorini yaratdi. Asta-sekin deyarli barcha protsessorlar mikroprotsessor formatida ishlab chiqarila boshlandi. Uzoq vaqt davomida istisnolar faqat maxsus muammolarni hal qilish uchun optimallashtirilgan kichik o'lchamli protsessorlar (masalan, bir qator harbiy vazifalarni hal qilish uchun superkompyuterlar yoki protsessorlar) yoki ishonchlilik, tezlik yoki elektromagnit ta'sirlardan himoya qilish uchun maxsus talablarga ega bo'lgan protsessorlar edi. impulslar va ionlashtiruvchi nurlanish. Asta-sekin, tannarxning pasayishi va zamonaviy texnologiyalarning keng tarqalishi bilan bu protsessorlar ham mikroprotsessor formatida ishlab chiqarila boshlandi.

Endi "mikroprotsessor" va "protsessor" so'zlari amalda sinonimga aylandi, lekin keyin bunday emas edi, chunki oddiy (katta) va mikroprotsessorli kompyuterlar kamida 10-15 yil davomida tinch-totuv yashagan va faqat 1980-yillarning boshlarida mikroprotsessorlar ularning o'rnini bosgan. eski hamkasblar. Shunga qaramay, ba'zi superkompyuterlarning markaziy protsessor bloklari bugungi kunda ham katta va o'ta katta darajadagi integratsiyaga ega mikrochiplar asosida qurilgan murakkab komplekslardir.

Keyinchalik mikroprotsessorlarga o'tish deyarli har bir uyga kirib boradigan shaxsiy kompyuterlarni yaratishga imkon berdi.

Birinchi ommaviy mikroprotsessor 1971-yil 15-noyabrda Intel korporatsiyasi tomonidan taqdim etilgan 4-bitli Intel 4004 mikroprotsessoridir. U 2300 ta tranzistorni o'z ichiga olgan, 92,6 kHz[1] taktli chastotada ishlagan va narxi 300 dollarni tashkil etgan.

Keyin u 8-bitli Intel 8080 va 16-bitli 8086 bilan almashtirildi, bu esa barcha zamonaviy ish stoli protsessorlari arxitekturasi uchun asos yaratdi. 8-bitli xotira modullarining keng tarqalganligi tufayli arzon 8088 chiqarildi, 8086-ning 8-bitli ma'lumotlar shinasi bilan soddalashtirilgan versiyasi.

Buning ortidan uning modifikatsiyasi, 80186 kiritildi.

80286 protsessorida 24 bitli adreslash bilan himoyalangan rejim joriy etildi, bu esa 16 MB gacha xotiradan foydalanish imkonini berdi.

Intel 80386 protsessori 1985 yilda paydo bo'ldi va takomillashtirilgan himoyalangan rejimni, 4 Gb gacha operativ xotirani va virtual xotira mexanizmini qo'llab-quvvatlash imkonini beruvchi 32 bitli manzilni taqdim etdi. Ushbu protsessorlar qatori registrli hisoblash modeliga qurilgan.

Bunga parallel ravishda stekli hisoblash modeliga asoslangan mikroprotsessorlar ishlab chiqilmoqda.

Yillar davomida mikroprotsessorlar turli xil arxitekturalarni ishlab chiqdilar. Ularning ko'plari (to'ldirilgan va takomillashtirilgan shaklda) bugungi kunda ham qo'llaniladi. Masalan, dastlab 32-bitli IA-32-ga, keyinroq 64-bitli x86-64-ga (Intel uni EM64T deb ataydi) ishlab chiqilgan Intel x86. x86 arxitektura protsessorlari dastlab faqat IBM shaxsiy kompyuterlarida (IBM PC) foydalanilgan, ammo hozirda kompyuter sanoatining barcha sohalarida, superkompyuterlardan tortib, oʻrnatilgan yechimlargacha borgan sari koʻproq foydalanilmoqda. Bundan tashqari, Alpha, POWER, SPARC, PA-RISC, MIPS (RISC arxitekturalari) va IA-64 (EPIC arxitekturasi) kabi arxitekturalarni sanab o'tishingiz mumkin.

Zamonaviy kompyuterlarda protsessorlar ZIF rozetkasiga (AMD) o'rnatilgan ixcham modullar (taxminan 5 × 5 × 0,3 sm) shaklida ishlab chiqariladi.
Ko'pgina zamonaviy shaxsiy kompyuter protsessorlari odatda Jon fon Neyman tomonidan tasvirlangan tsiklik ketma-ket ma'lumotlarni qayta ishlash jarayonining ba'zi versiyasiga asoslanadi.

1946 yil iyul oyida Burks, Goldshteyn va fon Neumann "Elektron hisoblash qurilmasining mantiqiy dizaynini dastlabki ko'rib chiqish" nomli mashhur monografiyani yozdilar, unda kelajakdagi kompyuterning qurilmasi va texnik tavsiflari batafsil tavsiflangan, keyinchalik u shunday nom bilan mashhur bo'lgan. "von Neumann arxitekturasi". Bu ish fon Neumann tomonidan 1945 yil may oyida "EDVAC bo'yicha hisobotning birinchi loyihasi" nomli qo'lyozmada bayon etilgan g'oyalarni ishlab chiqdi.

Fon Neyman arxitekturasining o'ziga xos xususiyati shundaki, ko'rsatmalar va ma'lumotlar bir xil xotirada saqlanadi.

Turli arxitekturalar va turli buyruqlar qo'shimcha qadamlarni talab qilishi mumkin. Masalan, arifmetik ko'rsatmalar operandlarni o'qish va natijalarni yozish uchun qo'shimcha xotiraga kirishni talab qilishi mumkin.

Yugurish tsikli bosqichlari:

Protsessor dastur hisoblagich registrida saqlangan raqamni manzillar shinasiga o'rnatadi va xotiraga o'qish buyrug'ini beradi.

Ochiq raqam xotira manzilidir; Xotira manzilni va o'qish buyrug'ini qabul qilib, ushbu manzilda saqlangan tarkibni ma'lumotlar shinasiga ko'rsatadi va tayyorlik haqida hisobot beradi.
Protsessor ma'lumotlar shinasidan raqam oladi, uni buyruqlar majmuasidan buyruq (mashina ko'rsatmasi) sifatida izohlaydi va uni bajaradi.
Agar oxirgi ko'rsatma tarmoqli ko'rsatma bo'lmasa, protsessor ko'rsatmalar hisoblagichida saqlangan raqamni bittaga oshiradi (har bir ko'rsatma uzunligi bitta bo'lsa); natijada u yerda keyingi instruksiyaning manzili shakllanadi.
Ushbu tsikl doimo bajariladi va u jarayon deb ataladi (shuning uchun qurilma nomi).

Jarayon davomida protsessor xotirada joylashgan ko'rsatmalar ketma-ketligini o'qiydi va ularni bajaradi. Bunday buyruqlar ketma-ketligi dastur deb ataladi va protsessorning algoritmini ifodalaydi. Agar protsessor o'tish buyrug'ini o'qisa, buyruqlarni o'qish tartibi o'zgaradi, keyin keyingi buyruqning manzili boshqacha bo'lishi mumkin. Jarayonni o'zgartirishning yana bir misoli, to'xtatish buyrug'i qabul qilinganda yoki u uzilish xizmatiga o'tganda bo'lishi mumkin.

Markaziy protsessorning buyruqlari kompyuterni boshqarishning eng past darajasidir, shuning uchun har bir buyruqning bajarilishi muqarrar va shartsizdir. Amalga oshirilgan harakatlarning maqbulligi tekshirilmaydi, xususan, qimmatli ma'lumotlarning yo'qolishi tekshirilmaydi. Kompyuter faqat qonuniy harakatlarni bajarishi uchun buyruqlar kerakli dasturda to'g'ri tartibga solinishi kerak.

Tsiklning bir bosqichidan ikkinchisiga o'tish tezligi soat generatori tomonidan belgilanadi. Soat generatori markaziy protsessor uchun ritm bo'lib xizmat qiluvchi impulslarni hosil qiladi. Soat impulslarining chastotasi soat chastotasi deb ataladi.

Ishlab chiqarish jarayoni
Dastlab, ishlab chiquvchilarga texnik topshiriq beriladi, uning asosida kelajakdagi protsessorning arxitekturasi, uning ichki tuzilishi, ishlab chiqarish texnologiyasi qanday bo'lishi haqida qaror qabul qilinadi. Turli guruhlarga protsessorning mos keladigan funktsional bloklarini ishlab chiqish, ularning o'zaro ta'siri va elektromagnit mosligini ta'minlash vazifasi yuklatilgan. Protsessor aslida mantiqiy algebra tamoyillariga to'liq mos keladigan raqamli mashina bo'lganligi sababli, kelajakdagi protsessorning virtual modeli boshqa kompyuterda ishlaydigan maxsus dasturiy ta'minot yordamida quriladi. U protsessorni sinovdan o'tkazadi, elementar buyruqlarni, katta hajmdagi kodlarni bajaradi, qurilmaning turli bloklarining o'zaro ta'sirini ishlab chiqadi, uni optimallashtiradi va ushbu darajadagi loyihada muqarrar xatolarni qidiradi.

Shundan so'ng, protsessorning fizik modeli raqamli asosiy matritsa kristallari va raqamli elektronikaning elementar funktsional bloklarini o'z ichiga olgan mikrosxemalardan quriladi, ularda protsessorning elektr va vaqtinchalik xarakteristikalari tekshiriladi, protsessor arxitekturasi sinovdan o'tkaziladi, topilgan xatolar tuzatiladi. davom etmoqda va elektromagnit moslashuv masalalari aniqlangan (masalan, 1 gigagertsli deyarli oddiy takt chastotasi bilan, 7 mm uzunlikdagi o'tkazgich allaqachon uzatuvchi yoki qabul qiluvchi antennalar sifatida ishlaydi).

Keyin ixtisoslashtirilgan dasturiy ta'minotdan foydalanib, protsessor arxitekturasini o'z ichiga olgan elektr sxemasini chip topologiyasiga aylantiradigan muhandislar va texnologik muhandislarning birgalikdagi ish bosqichi boshlanadi. Zamonaviy avtomatik dizayn tizimlari, umuman olganda, elektr zanjiridan niqoblar yaratish uchun to'g'ridan-to'g'ri trafaretlar to'plamini olish imkonini beradi. Ushbu bosqichda texnologlar mavjud texnologiyani hisobga olgan holda elektron muhandislar tomonidan qo'yilgan texnik echimlarni amalga oshirishga harakat qilmoqdalar. Ushbu bosqich eng uzoq va ishlab chiqilishi eng qiyin bosqichlardan biri bo'lib, ba'zi me'moriy qarorlardan voz kechish uchun sxema dizaynerlaridan kamdan-kam hollarda murosaga kelishni talab qiladi. Bir qator maxsus mikrosxemalar ishlab chiqaruvchilari (quyma zavodi) ishlab chiquvchilarga (dizayn markazi yoki zavodsiz kompaniya) murosali yechimni taklif qilishadi, bunda protsessorni loyihalash bosqichida ular tomonidan taqdim etilgan elementlar va bloklar kutubxonalari (Standart hujayra) standartlashtirilgan. mavjud texnologiyaga muvofiq foydalaniladi. Bu me'moriy echimlarga bir qator cheklovlarni kiritadi, ammo texnologik sozlash bosqichi aslida Lego o'ynashga to'g'ri keladi. Umuman olganda, maxsus mikroprotsessorlar mavjud kutubxonalarga asoslangan protsessorlarga qaraganda tezroq.

8 dyuymli ko'p chipli silikon gofret

Asosiy maqola: Elektron sanoatdagi texnologik jarayon
Dizayn bosqichidan keyingi navbatda mikroprotsessor chipining prototipini yaratish. Zamonaviy ultra-katta integral sxemalarni ishlab chiqarishda litografiya usuli qo'llaniladi. Shu bilan birga, o'tkazgichlar, izolyatorlar va yarim o'tkazgichlar qatlamlari navbat bilan bo'lajak mikroprotsessorning substratiga (elektron sifatli bir kristalli kremniyning ingichka doirasi (elektron darajadagi kremniy, EGS) yoki sapfir) o'z ichiga olgan maxsus niqoblar orqali qo'llaniladi. . Tegishli moddalar vakuumda bug'lanadi va protsessor chipidagi niqobning teshiklari orqali yotqiziladi. Ba'zida tajovuzkor suyuqlik kristallning niqob bilan himoyalanmagan joylarini korroziyaga olib kelganda, etching qo'llaniladi. Shu bilan birga, substratda yuzga yaqin protsessor chiplari hosil bo'ladi. Natijada yuz minglab milliardlab tranzistorlarni o'z ichiga olgan murakkab ko'p qatlamli tuzilma paydo bo'ldi. Ulanishga qarab tranzistor mikrosxemada tranzistor, rezistor, diod yoki kondansatör sifatida ishlaydi. Ushbu elementlarni chipda alohida yaratish, umuman olganda, foyda keltirmaydi. Litografiya jarayoni tugagandan so'ng, substrat elementar kristallarga kesiladi. Ularda hosil bo'lgan kontakt yostiqchalariga (oltindan yasalgan) yupqa oltin o'tkazgichlar lehimlanadi, ular mikrosxema qutisining kontaktli prokladkalariga adapterlardir. Bundan tashqari, umumiy holatda, kristallning issiqlik qabul qilgichi va chip qopqog'i biriktirilgan.

Keyin protsessor prototipini sinovdan o'tkazish bosqichi boshlanadi, uning belgilangan xususiyatlarga muvofiqligi tekshiriladi va qolgan aniqlanmagan xatolar qidiriladi. Shundan keyingina mikroprotsessor ishlab chiqarishga kiritiladi. Ammo ishlab chiqarish jarayonida ham texnologiyani takomillashtirish, yangi dizayn echimlari va xatolarni aniqlash bilan bog'liq protsessorni doimiy optimallashtirish mavjud.

Universal mikroprotsessorlarning rivojlanishi bilan bir vaqtda mikroprotsessor bilan ishlatiladigan va ular asosida ana platalar yaratiladigan periferik kompyuter sxemalari to'plamlari ishlab chiqilmoqda. Mikroprotsessorlar to'plamini (chipset, inglizcha chipset) ishlab chiqish haqiqiy mikroprotsessor chipini yaratishdan kam bo'lmagan qiyin vazifadir.

So'nggi bir necha yil ichida

Protsessor quvvat sarfi
Protsessorning quvvat sarfi protsessorni ishlab chiqarish texnologiyasi bilan chambarchas bog'liq.

Birinchi x86 arxitektura protsessorlari juda kichik (zamonaviy standartlar bo'yicha) quvvatni iste'mol qilgan, bu vattning bir qismini tashkil qiladi. Transistorlar sonining ko'payishi va protsessorlarning soat chastotasining ortishi ushbu parametrning sezilarli darajada oshishiga olib keldi. Eng samarali modellar 130 yoki undan ko'p vatt iste'mol qiladi. Avvaliga ahamiyatsiz bo'lgan quvvat iste'moli koeffitsienti endi protsessorlar evolyutsiyasiga jiddiy ta'sir ko'rsatmoqda:

iste'molni kamaytirish uchun ishlab chiqarish texnologiyasini takomillashtirish, oqish oqimlarini kamaytirish uchun yangi materiallarni izlash, protsessor yadrosining besleme kuchlanishini pasaytirish;
ko'p sonli kontaktli (1000 dan ortiq) rozetkalarning (protsessorlar uchun rozetkalar) ko'rinishi, ularning aksariyati protsessorni quvvatlantirish uchun mo'ljallangan. Shunday qilib, mashhur LGA775 rozetkasi uchun protsessorlarda 464 ta asosiy quvvat kontaktlari mavjud (jami 60% ga yaqin);
protsessorlar tartibini o'zgartirish. Sovutish tizimining radiatoriga issiqlikni yaxshiroq tarqatish uchun protsessor kristali ichkaridan tashqi tomonga o'tdi;
kristalldagi harorat sensorlarini va protsessorning chastotasini pasaytiradigan yoki hatto harorat qabul qilib bo'lmaydigan darajada ko'tarilsa, uni to'xtatadigan haddan tashqari issiqlikdan himoya qilish tizimini o'rnatish;
ta'minot kuchlanishini, alohida bloklar va protsessor yadrolarining chastotasini dinamik ravishda o'zgartiradigan va foydalanilmagan bloklar va yadrolarni o'chirib qo'yadigan so'nggi intellektual tizimlarning so'nggi protsessorlarida paydo bo'lishi;
past yuklanishda protsessorni "uxlab qolish" uchun energiya tejovchi rejimlarning paydo bo'lishi.


2

RISC (qisqartirilgan ko'rsatmalar to'plami kompyuter) protsessor dizayniga me'moriy yondashuv bo'lib, unumdorligi ko'rsatmalarni kodlash orqali ko'paytiriladi, shunda ularni dekodlash osonroq va bajarilish vaqti qisqaroq bo'ladi. Dastlabki RISC protsessorlarining ko'rsatmalar to'plamlarida hatto ko'paytirish va bo'lish ko'rsatmalari ham yo'q edi. Bundan tashqari, u overclock qilishni osonlashtiradi va superskalar (bir nechta ijro birliklari bo'yicha ko'rsatmalarni parallellashtirish) samaraliroq qiladi.

CISC dan farqlari
Shuningdek qarang: CISC

Ilgari arxitekturalardagi ko'rsatmalar to'plamlari dasturlarni qo'lda assembler tillarida yoki to'g'ridan-to'g'ri mashina kodiga yozishni osonlashtirish va kompilyatorlarni amalga oshirishni osonlashtirish uchun imkon qadar ko'proq ish qildi. To'plamlar yuqori darajadagi til konstruktsiyalarini bevosita qo'llab-quvvatlash bo'yicha ko'rsatmalarni o'z ichiga olishi odatiy hol emas edi. Ushbu to'plamlarning yana bir xususiyati shundaki, aksariyat ko'rsatmalar, qoida tariqasida, barcha mumkin bo'lgan adreslash usullariga ruxsat beradi ("ko'rsatmalar to'plamining ortogonalligi[en]"). Masalan: operandlar ham, arifmetik amallardagi natija ham faqat registrlarda emas, balki to'g'ridan-to'g'ri adreslash orqali ham, bevosita operativ xotirada ham mavjud. Keyinchalik bunday arxitekturalar CISC (Complex instruction set computer) deb nomlandi.

Biroq, ko'pgina kompilyatorlar bunday ko'rsatmalar to'plamlarining to'liq imkoniyatlaridan foydalana olmadilar va murakkab adreslash usullari nisbatan sekin asosiy xotiraga qo'shimcha kirishlar tufayli uzoq vaqt talab etadi. Ma'lum bo'lishicha, agar protsessor soddalashtirilgan bo'lsa va unda ko'proq registrlar uchun joy mavjud bo'lsa, buning natijasida operativ xotiraga kirishlar sonini kamaytirish mumkin bo'lsa, bunday funktsiyalar oddiy mashina ko'rsatmalari ketma-ketligi bilan tezroq bajariladi. RISC deb tasniflangan birinchi arxitekturalarda dekodlashni soddalashtirish bo'yicha ko'pgina ko'rsatmalar bir xil uzunlik va o'xshash tuzilishga ega, arifmetik operatsiyalar faqat registrlar bilan ishlaydi va xotira bilan ishlash ko'rsatmalarni yuklash (yuklash) va saqlash (saqlash) uchun alohida ko'rsatmalardan o'tadi. Ushbu xususiyatlar quvurlarni o'tkazish bosqichlarini yaxshiroq muvozanatlash, RISC-dagi quvurlarni ancha samarali qilish va soat chastotasini oshirish imkonini berdi.

RISC falsafasi

1970-yillarning oʻrtalarida turli tadqiqotchilar (xususan, IBM’da) oʻsha davr kompilyatorlari tomonidan yaratilgan koʻpgina dasturlarda koʻrsatmalar va ortogonal adreslash usullarining koʻp kombinatsiyalaridan foydalanilmaganligini aniqladilar. Shuningdek, ba'zi mikrokodlar arxitekturalarida bitta mashina ko'rsatmasi bilan bajariladigan murakkab operatsiyalar algoritmik jihatdan ekvivalent oddiy operatsiyalar ketma-ketligiga qaraganda sekinroq ekanligi aniqlandi. Bu, qisman, ko'plab arxitekturalar shoshilinch ravishda ishlab chiqilganligi va faqat tez-tez ishlatiladigan mashina ko'rsatmalarining mikrokodi yaxshi optimallashtirilganligi bilan bog'liq edi.

Ko'pgina haqiqiy dasturlar o'z vaqtining ko'p qismini oddiy operatsiyalarni bajarishga sarflaganligi sababli, ko'plab tadqiqotchilar ushbu operatsiyalarni iloji boricha tezroq bajarishga e'tibor berishga qaror qilishdi. Protsessor unumdorligi protsessor har qanday buyruqni qayta ishlash jarayonida eng sekin operatsiyalarni bajarishga sarflagan vaqti bilan chegaralanadi. Ushbu bosqichlarning davomiyligini qisqartirish umumiy ishlash yaxshilanishini ta'minlaydi va ko'pincha quvurlarni yanada samarali o'tkazish tufayli ko'rsatmalarning bajarilishini tezlashtiradi. Oddiy ko'rsatmalarga e'tibor RISC arxitekturasiga olib keladi, bu ko'rsatmalarni osonlikcha o'tkazish va yuqori chastotalarda quvur bosqichlarida bittadan ortiq mashina tsiklini olish mumkin bo'lgan ko'rsatmalarni soddalashtirishga qaratilgan.

Keyinchalik ma'lumotlarni qayta ishlash va xotiraga kirish bo'yicha ko'rsatmalarni ajratishda RISCning eng muhim xususiyati shundaki, xotiraga faqat yuklash va saqlash ko'rsatmalari orqali kirish mumkin, qolgan barcha ko'rsatmalar esa protsessor apparat registrlari bilan ishlash bilan cheklangan. Bu protsessor arxitekturasini soddalashtirdi:

mashinaga ma'lum uzunlikdagi ko'rsatmalar berish imkonini berdi,

soddalashtirilgan quvurlar va faqat ikkita ko'rsatmalar bilan RAMga kirishda kechikishlarning yon ta'siri bo'lgan izolyatsiyalangan mantiq.

Natijada, RISC arxitekturalari norasmiy ravishda yuklash/do'kon arxitekturalari deb ham ataladi.

Ko'rsatmalar soni

Ko'pincha "qisqartirilgan ko'rsatmalar to'plami" so'zlari ko'rsatmalar to'plamidagi ko'rsatmalar sonini minimallashtirish deb tushuniladi. Aslida, ko'pgina RISC protsessorlari CISC protsessorlariga qaraganda ko'proq mashina ko'rsatmalariga ega. INMOS[en] transputerlari kabi ba'zi RISC protsessorlarining ko'rsatmalar tizimlarida, masalan, IBM System / 370 CISC protsessorlari va aksincha, DEC PDP-8 CISC yo'riqnoma tizimlaridan kamroq mashina ko'rsatmalari mavjud. protsessorda faqat 8 ta asosiy va ba'zi kengaytirilgan ko'rsatmalar mavjud.

Aslida, nomdagi "qisqartirilgan" atamasi har bir alohida mashina ko'rsatmasi tomonidan bajariladigan ish hajmi (va vaqti) qisqarishini - maksimal bitta xotiraga kirish tsikli sifatida - CISC protsessorining murakkab ko'rsatmalari yuzlab talab qilishi mumkinligini tasvirlaydi. uning bajarilishi uchun xotiraga kirish davrlari.

Ko'rsatmalar sonini kamaytirish uchun maxsus ishlab chiqilgan ba'zi arxitekturalar klassik RISC arxitekturasidan juda farq qiladi va turli nomlar oldi: Minimal ko'rsatmalar to'plami kompyuteri (MISC), nol ko'rsatmalar to'plami kompyuteri (ZISC), Ultimate RISC (shuningdek, OISC deb ataladi), Transport tetiklangan arxitektura (TTA) va boshqalar.

RISC protsessorlarining xarakterli xususiyatlari
Mashina ko'rsatmalarining belgilangan uzunligi (masalan, 32 bit) va oddiy ko'rsatmalar formati.
Xotira operatsiyalari uchun maxsus buyruqlar - o'qish yoki yozish. O'qish-O'zgartirish-Yozish operatsiyalari mavjud emas. Har qanday "o'zgartirish" operatsiyalari faqat registrlarning mazmuni (yuklash va saqlash arxitekturasi) bo'yicha amalga oshiriladi.
Ko'p sonli umumiy maqsadli registrlar (32 yoki undan ko'p).
Qisqartirilgan ma'lumotlar turlari - bayt, 16 bitli so'z bo'yicha "o'zgartirish" turidagi operatsiyalarni qo'llab-quvvatlamaslik. Masalan, DEC Alpha ko'rsatmalar to'plami faqat 64 bitli so'zlar bilan operatsiyalarni o'z ichiga oladi va baytlar, 16 bitli va 32 bitli so'zlar bilan operatsiyalarni bajarish uchun protseduralarni ishlab chiqish va keyinchalik chaqirishni talab qiladi.
Protsessorning o'zida mikrodasturlarning etishmasligi. CISC protsessorida mikrodasturlar tomonidan bajariladigan narsa RISC protsessorida oddiy (maxsus xotiraga joylashtirilgan bo'lsa ham) mashina kodi sifatida bajariladi, bu OT yadrosi va ilovalari kodidan tubdan farq qilmaydi. Masalan, DEC Alpha sahifalarida xatoliklarni qayta ishlash va sahifalar jadvalini sharhlash ROMda joylashtirilgan PALcode (Privileged Architecture Library) deb ataladigan kodda mavjud edi. PALCode-ni almashtirish orqali Alpha protsessorini 64-bitdan 32-bitga aylantirish, shuningdek, so'zdagi bayt tartibini va virtual xotira sahifasi jadvali yozuvlari formatini o'zgartirish mumkin edi.
Boshqa arxitekturalar

RISC arxitekturasi paydo bo'lganidan so'ng, boshqa alternativalar amalga oshirildi - masalan, VLIW, MISC, OISC, massiv parallel ishlov berish, sistolik massiv, qayta konfiguratsiya qilinadigan hisoblash, oqim arxitekturasi.

Superskalar arxitekturalar (aslida 1960-yillar oxiridagi asosiy kompyuterlar, mikroprotsessorlarda - Sun SPARC, chunki Pentium x86 oilasida ishlatilgan). Ko'rsatmalarning bajarilishini bir nechta bajaruvchi qurilmalar o'rtasida parallellashtirish va ikki yoki undan ortiq ko'rsatmalarni parallel ravishda bajarish to'g'risidagi qaror protsessor apparati tomonidan bajarilish bosqichida qabul qilinadi. Bunday arxitekturadan samarali foydalanish mustaqil ko'rsatmalar juftlarini yaratish uchun kompilyatorda mashina kodini maxsus optimallashtirishni talab qiladi (bir ko'rsatmaning natijasi boshqasiga argument bo'lmasa).
VLIW (juda uzun ko'rsatma so'zi) arxitekturalari. Ular superskalar arxitekturadan farq qiladi, chunki parallellashtirish to'g'risidagi qaror bajarish bosqichida apparat tomonidan emas, balki kod ishlab chiqarish bosqichida kompilyator tomonidan qabul qilinadi. Buyruqlar juda uzun va bir nechta kichik buyruqlarni bir nechta ijro birliklariga parallellashtirish bo'yicha aniq ko'rsatmalarni o'z ichiga oladi. Arxitektura elementlari PA-RISC seriyasida joylashgan edi. Klassik shaklda VLIW arxitekturali protsessorlar Elbrus 2000 arxitekturali protsessorlardir.Itanium protsessorida VLIW asosidagi EPIC arxitekturasidan foydalaniladi. VLIW uchun samarali kompilyatorni ishlab chiqish juda katta muammodir. VLIW ning superskalar arxitekturadan afzalligi shundaki, kompilyator protsessor kontrollerlariga qaraganda ancha rivojlangan bo'lishi va optimallashtirish bo'yicha yaxshiroq qarorlar qabul qilish uchun ko'proq kontekst ma'lumotlarini saqlashi mumkin.
RISCga xos bo'lgan boshqa me'moriy echimlar
Spekulyativ ijro. Shartli tarmoq buyrug'iga duch kelganda, protsessor filialni boshqarish ifodasi baholanmaguncha bir vaqtning o'zida ikkala filialni ham bajaradi (yoki hech bo'lmaganda ko'rsatmalar keshiga o'qiydi). Shartli o'tish paytida quvur liniyasining to'xtab qolishidan qochish imkonini beradi.
Registrlarni qayta nomlash. Har bir protsessor registri aslida qiymatning bir nechta versiyasiga ega bo'lgan bir nechta parallel registrlardir. Spekulyativ ijroni amalga oshirish uchun foydalaniladi.
"RISC" arxitekturasining rivojlanishining boshlanishi

"RISC" tizimi deb atash mumkin bo'lgan birinchi tizim "CDC 6600" superkompyuteri bo'lib, bu atama paydo bo'lishidan o'n yil oldin, 1964 yilda yaratilgan. CDC 6600 "RISC" arxitekturasiga ega, faqat ikkita manzillash rejimiga ega ("Ro'yxatdan o'tish + Register" va "Ro'yxatdan o'tish + Darhol") va 74 ta buyruq kodlari (8086da esa 400 ta ko'rsatma kodlari mavjud edi). CDC 6600 da 11 ta arifmetik va mantiqiy ishlov berish quvurlari, shuningdek, beshta yuklagich va ikkita saqlash moslamasi mavjud edi. Xotira ko'p blokli edi, shuning uchun barcha yuklarni saqlash qurilmalari bir vaqtning o'zida ishlashi mumkin edi. Asosiy soat/ko'rsatma tezligi xotiraga kirish vaqtidan 10 baravar tezroq edi. CDC 6600 dasturini ishlab chiquvchilar Jim Tornton va Seymur Krey uning uchun kuchli protsessor yaratdilar, bu esa katta hajmdagi raqamli ma'lumotlarni tezda qayta ishlash imkonini berdi. Asosiy protsessor kiritish-chiqarish operatsiyalari va boshqa OT funktsiyalarini bajaradigan o'nta oddiy periferik protsessor tomonidan qo'llab-quvvatlangan. Keyinchalik, "RISC" atamasi "Haqiqatan ham Seymur Krey tomonidan ixtiro qilingan" ("aslida Seymur Krey tomonidan ixtiro qilingan") degan ma'noni anglatadi, degan hazil paydo bo'ldi.

Yana bir ilk RISC arxitektura mashinasi 1968 yilda ishlab chiqilgan Data General Nova mini kompyuteridir.

RISC protsessorini chipda qurishga birinchi urinish 1975 yilda IBM tomonidan qilingan. Bu ish turli IBM qurilmalarida keng qo'llaniladigan IBM 801 protsessorlari oilasini yaratishga olib keldi. 801 oxir-oqibat 1981 yilda "ROMP" nomi ostida chip shaklida chiqarildi. "ROMP" qisqartmasi "Research OPD (Office Product Division) Micro Processor", ya'ni "tadqiqot mikroprotsessori", ofisni ishlab chiqish bo'limida ishlab chiqilgan. Nomidan ko'rinib turibdiki, protsessor "mini" vazifalar uchun mo'ljallangan va IBM 1986 yilda uning asosida IBM RT-PC ni chiqarganida, u unchalik yaxshi ishlamagan. Biroq, 801 protsessorining chiqarilishidan keyin bir nechta tadqiqot loyihalari amalga oshirildi, ulardan biri "POWER" tizimiga olib keldi.

Biroq, eng mashhur RISC tizimlari DARPA VLSI dasturi tomonidan moliyalashtirilgan universitet tadqiqot dasturlari doirasida ishlab chiqilgan.
Berklidagi RISC

UC Berkeleydagi RISC loyihasi 1980 yilda Devid Patterson va Karlo Sequina tomonidan boshlangan. Tadqiqot quvurlarni qayta ishlashdan foydalanish va ro'yxatga olish oynasi texnikasidan agressiv foydalanishga asoslangan. Oddiy protsessorda oz sonli registrlar mavjud va dastur istalgan vaqtda istalgan registrdan foydalanishi mumkin. Registr oynasi texnologiyalaridan foydalanadigan protsessor juda ko'p registrlarga ega (masalan, 128), lekin dasturlar faqat cheklangan sondan foydalanishi mumkin (masalan, bir vaqtning o'zida faqat 8 ta).

Har bir protsedura uchun faqat sakkiz registr bilan cheklangan dastur juda tez protsedura qo'ng'iroqlarini amalga oshirishi mumkin: "oyna" shunchaki kerakli protseduraning 8 registrli blokiga o'tadi va protseduradan qaytganida, u chaqiruvchining registrlariga o'tadi. protsedura (odatiy protsessorda chaqirilganda ko'pchilik protseduralar protsedurani bajarish jarayonida ushbu registrlardan foydalanish uchun ba'zi registrlarning qiymatlarini stekda saqlashga majbur bo'ladi (protsedura qaytganda, registrlarning qiymatlari stekdan tiklangan).

RISC loyihasi RISC-I protsessorini 1982 yilda ishlab chiqargan. U 44 420 tranzistorga ega edi (taqqoslash uchun: o'sha paytdagi CISC protsessorlarida ularning 100 mingga yaqini bor edi). "RISC-I" bor-yo'g'i 32 ta ko'rsatmalarga ega edi, lekin o'sha paytdagi har qanday bitta chipli protsessordan tezroq edi. Bir yil o'tgach, 1983 yilda "RISC-II" chiqarildi, u 40 760 tranzistordan iborat bo'lib, 39 ta ko'rsatma ishlatgan va "RISC-I" dan uch barobar tezroq ishlagan. Berkeley RISC loyihasi RISC protsessorlarining SPARC va DEC Alpha oilasiga ta'sir ko'rsatdi.

Stenforddagi RISC

Deyarli bir vaqtning o'zida, 1981 yilda Jon Xennessi Stenford universitetida "MIPS arxitekturasi" deb nomlangan shunga o'xshash loyihani boshladi. "MIPS" yaratuvchisi deyarli to'liq quvurni qayta ishlashga e'tibor qaratdi - u ushbu texnologiyadan "hamma narsani siqib chiqarishga" harakat qildi. Pipelining boshqa protsessorlarda ham qo'llanilgan, MIPS-da paydo bo'lgan ba'zi g'oyalar ishlab chiqilgan protsessorga shunga o'xshashlarga qaraganda tezroq ishlashga imkon berdi. Eng muhim talab bu edi: protsessorning har qanday ko'rsatmasi bir taktli tsiklni oladi. Shunday qilib, quvur liniyasi ma'lumotlarni tezroq uzatishi mumkin edi va protsessor tezroq ishlay boshladi. Afsuski, ushbu talab uchun ko'paytirish yoki bo'lish kabi foydali operatsiyalar ko'rsatmalar to'plamidan olib tashlandi.

Dastlabki yillarda RISC arxitekturasini rivojlantirishga urinishlar yaxshi ma'lum edi, ammo ularni yaratgan universitet tadqiqot laboratoriyalari doirasida qoldi. Kompyuter sanoatida ko'pchilik "RISC" protsessorlarining afzalliklari murakkab ko'rsatmalarning xotira samaradorligi pastligi sababli haqiqiy mahsulotlarda qo'llanilganda amalga oshmaydi, deb ishonishgan. Biroq, 1986 yildan boshlab RISC tadqiqot loyihalari birinchi ishlaydigan mahsulotlarni ishlab chiqarishni boshladi. Stenforddagi RISC protsessori MIPS Technologies protsessorlarining Rxxxx oilasiga kiritilgan.

O'tgan yillar

1990-yillarning boshlarida ma'lum bo'lishicha, RISC arxitekturalari superskalar va VLIW yondashuvidan foydalangan holda, shuningdek, soat chastotasini jiddiy ravishda oshirish va kristallni soddalashtirish, kesh uchun maydonni bo'shatish va katta hajmga erishish orqali CISC ga qaraganda yuqori samaradorlikka erishishi mumkin. imkoniyatlar.. Shuningdek, RISC arxitekturalari tranzistorlar sonini kamaytirish orqali protsessorning quvvat sarfini sezilarli darajada kamaytirishga imkon berdi.

Dastlab, RISC arxitekturalari ular uchun dasturiy ta'minot yo'qligi sababli bozor tomonidan deyarli qabul qilinmadi. Ushbu muammo UNIX-ga o'xshash operatsion tizimlarni (SunOS) RISC arxitekturalariga ko'chirish orqali hal qilindi.