Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии

Архитектура микропроцессоров

Разрабатывая свои первые микропроцессоры, компания Intel предложила для них архитектуру, которая позже была названа архитектурой с полным набором команд (CISC–Complete Instruction Set Computer). Эта архитектура сохранена во всех 32-разрядных процессорах, выпускаемых Intel и AMD.

Для CISC-архитектуры характерно:

• сравнительно небольшое число регистров общего назначения;

• большое количество кодов, некоторые из которых нагружены семантически аналогично операторам высокоуровневых языков программирования и выполняются за несколько тактов;

• большое количество методов адресации;

• большое количество форматов команд различной разрядности;

• преобладание двухадресного формата команд;

• наличие команд обработки типа «регистр-память».

Тридцать лет назад именно такая архитектура (с учетом технологических особенностей изготовления процессоров) была наилучшей, позволяющей получить максимальную производительность компьютера.

К середине 80-х годов XX века технология производства интегральных микросхем значительно продвинулась по сравнению с предыдущим десятилетием, и старая архитектура уже не могла обеспечить максимальной производительности. Требовались новые структурные решения. Компания Intel стала жертвой успеха своих микропроцессоров – массовое использование процессоров х86 с устаревшей CISC-архитектурой привело к тому, что для них было создано огромное количество программ. И компания не могла начать производство процессоров с новой архитектурой, на которых нельзя использовать эти программы, и вынуждена была выпускать процессоры с устаревшей архитектурой. В это время другие компании, не обремененные успехом, предложили новую архитектуру микропроцессора с сокращенным набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Впервые идеи такой архитектуры были реализованы в компьютере CDC6600, еще позднее она была применена при создании суперкомпьютеров компании Cray Research. Окончательно архитектура RISC сформировалась при разработке трех процессоров: 801 компании IBM, RISC университета Беркли и MIPS Стенфордского университета. Среди особенностей RISC-архитектур следует отметить:

• малый набор кодов;

• выполнение большинства инструкций за один такт;

• короткие связи внутри процессора, что позволяет сократить длительность такта и увеличить частоту работы процессора;

• конвейерную обработку нескольких команд (когда за один такт в компьютере обрабатывается сразу несколько последовательных команд);

• наличие большого количества регистров (32 или большее число регистров по сравнению с 8—16 регистрами в CISC-архитектурах), что позволяет большему объему данных храниться в регистрах процессора большее время и упрощает работу компилятора по распределению регистров под переменные;

• как правило, используются трехадресные команды, что, помимо упрощения дешифрации, дает возможность сохранять большее число переменных в регистрах без их последующей перезагрузки.

Развитие архитектуры RISC в значительной степени определялось прогрессом в области создания оптимизирующих компиляторов. Современная техника компиляции позволяет эффективно использовать преимущества большего регистрового файла, конвейерной организации и большей скорости выполнения команд.

Сегодня технология производства микропроцессоров продолжает развиваться дальше:

• уменьшаются технологические размеры транзисторов (сегодня технологическая норма – 0,013 мкм);

• появились новые технологии, такие как «кремний на изоляторе» (SOI) и использование медных проводников;

• внедряются новые методы изоляции проводников, например диэлектрик с низкой теплопроводностью, позволяющей добиться почти 30-процентного увеличения скорости вычислений и производительности;

• создан транзистор нового типа, получивший наименование «транзистор на обедненной подложке» («depleted substrate transistor»);

• внедряются новые полупроводниковые материалы, такие как «высокоизолирующий диэлектрик с К-затвором» («high k-gate dielectric»).

Эти и другие технологические решения позволяют снизить утечки тока в транзисторе и заметно уменьшить энергопотребление микропроцессора, что дает возможность разместить в нем значительно больше электронных элементов, работающих на более высоких частотах. В результате в современном микропроцессоре можно реализовать многие структурные решения, ранее казавшиеся недоступными. Одним из таких решений является новая архитектура, известная под названием Intel Architecture-64 (IA-64). Она не является 64-разрядным расширением 32-разрядной архитектуры х86 компании Intel (то есть это не CISC-архитектура), а также это и не переработка 64-разрядной архитектуры RISC.