RISC- и CISC-архитектуры процессоров

Чтобы наглядно проиллюстрировать разницу между CISC- RISC- архитектурами, рассмотрим следующий пример. Команда сложения (add) в процессорах семейства Intel x86 (CISC-архитектура) имеет два аргумента - первое и второе слагаемое, а результат исполнения команды помещается на место первого слагаемого. При этом любое из слагаемых может быть или регистром, или числом, хранящимся в оперативной памяти. Все возможные сочетания типов аргументов соответствуют различным командам add. Таким образом, в процессорах Intel x86 имеется три разных команды add: регистр/регистр, регистр/память, память/регистр. Команды add типа память/память у процессоров Intel x86 отсутствует, поскольку в рамках выполнения арифметических команд предполагается не более одного обращения к памяти. Это обусловлено преемственностью в рамках семейства Intel x86: в первых процессорах семейства (Intel 8086 и Intel 8088) несколько обращений к данным в оперативной памяти существенно замедлили бы реализацию арифметики и потребовали бы усложнения процессора. Следует отметить, что кроме вышеперечисленных команд сложения у процессоров Intel x86 имеется и другие команды add, которые предназначены для работы с константами, для использования разных вариантов адресации и пр.

В RISC-процессоре имеется одна команда add, и она работает только с регистрами, то есть имеет вид регистр/регистр. Если одно из слагаемых находится в памяти, то оно сначала в явном виде (то есть отдельной командой) должно быть загружено в соответствующий регистр, а уже потом должна быть вызвана команда сложения. Вместо этих двух команд в процессорах Intel x86 просто вызывается соответствующая команда add, которая сначала загружает недостающий операнд из памяти в процессор, а потом выполняет сложение.

Данный простой пример показывает, что машинный язык RISC-процессора гораздо менее дружественный для программиста, программирующего на языке ассемблера или в машинном коде, чем машинный язык CISC-процессора, позволяя обходиться меньшим количеством команд за счет гибкости задания аргументов. Но, как мы уже сказали выше, простой машинный язык позволяет упростить и управляющее устройство процессора - блок, ответственный за управление другими блоками процессора. В дополнение к уже упомянутому выше удешевлению процессора, это упрощение дает конструкторам RISC-процессоров ещё одну косвенную выгоду: возможность сделать управляющее устройство процессора более компактным, и, как следствие, сократить время прохождения сигналов внутри него, что позволяет увеличить тактовую частоту процессора.

RISC-архитектура также имеет свои слабые стороны.

• Упомянутые выше оптимизации требуют бо?льших, нежели в случае CISC-процессоров, усилий по создании компилятором с языков высокого уровня оптимального машинного кода. Современные CISC-процессоры справляются с этим "самостоятельно", хотя и ценой значительного усложнения. Подробнее об этом мы расскажем ниже в разделе о конвейеризации и внеочередном исполнении машинных команд.
• Поскольку объем кода для RISC-процессора получается больше, чем для тех же программ, скомпилированных для CISC-архитектур, то увеличивается нагрузка на шины и на оперативную память ЭВМ.

Наиболее известными представителями RISC-архитектуры являются семейства ARM (процессоры этого семейства являются основой многих современных мобильных устройств, а также некоторых персональных компьютеров и даже суперкомпьютеров) и MIPS (наиболее популярны как основа для оборудования вычислительных сетей).

Одним из обстоятельств, повлиявших на популярность RISC-архитектуры (а это был рубеж 1970-х и 80-х годов) стал тот факт, что значительная часть программ к этому времени разрабатывалась на языках высокого уровня, и таким образом с машинным языком уже имели дело компиляторы, а не программисты. Следовательно, необходимость удобного для человека машинного языка (одно из основных преимуществ CISC-архитектуры) стало неактуальным. В то же время RISC-процессоры, хотя и потеснили CISC, но не вытеснили их окончательно. Большинство новых процессоров, разрабатываемых в последние годы, относятся к уже существующим семействам, а большинство этих семейств имеют RISC-архитектуру. Тем не менее, для популярных CISC-семейств процессоров, например, Intel x86 и IBM System/360 (и последующих) разработано такое количество ПО, что отказаться от этих процессоров в пользу других, пусть и более совершенных, уже невозможно по экономическим соображениям. Отметим также, что разработчики современных CISC-процессоров не отказываются от использования отдельных идей RISC. Так, в некоторых процессорах семейства Intel x86 (например, Intel 80486) машинные команды транслируются в последовательности микроопераций, которые уже исполняет "скрытый от программиста" внутренний RISC-процессор.

ПРИМЕР

Чтобы наглядно проиллюстрировать особенности CISC- и RISC-архитектур, приведём пример. В качестве CISC-процессора рассмотрим процессор семейства Intel x86, в качестве RISC-процессора возьмём ARM. Рассмотрим следующую несложную программу на C и покажем, какой машинный код создаётся компилятором для этой программы для CISC- и RISC-процессора:

int a, b;
bool res;
a = a + b;
b = 3 * b;
if (a > b)
 res = true;
else
 res = false;

Для компиляции этой программы под платформу Intel x86 мы использовали компилятор Microsoft Visual C/C++ 19, для ARM - компилятор GNU C Compiler 8. Читатели для тех же целей могут воспользоваться сервисом http://godbolt.org/ , который позволяет, не инсталлируя эти компиляторы на свой компьютер, транслировать программы на языках C/С++ под разные архитектуры, и наглядно показывает получившийся код на языке ассемблера, а также в виде машинных команд.

Результаты трансляции для обеих архитектур представлены в рис. 9.1. Для каждого оператора программы на языке C даны команды машинной программы Intel x86 и ARM. Для каждой команды приводится её адрес в оперативной памяти, машинный код (и то, и другое - в шестнадцатеричной записи), а также ассемблерное представление этой команды (для большей наглядности).

Ниже представлены дополнительные пояснения и комментарии к рис. 9.1.

• Программа для процессора Intel x86 состоит из 11 команд, а для ARM - из 18.
• Арифметические регистры в Intel x86 именуются символами, например, eax, ecx, а в ARM они обычно нумеруются, например: Это связано с тем, что традиционно у RISC-процессоров арифметических регистров больше, чем у CISC, поскольку первым предпочтительно как можно больше операндов заранее разместить в регистрах с тем, чтобы во время исполнения основных команд не обращаться к оперативной памяти.
• Код команд манды процессора Intel x86 имеет разную длину - от одного до четырех байтов вместе с операндами, а код команд ARM занимает в памяти по четыре байта. В итоге программа для Intel x86 занимает 34 байта, а для ARM - 72. Эта закономерность сохраняется и для больших программ: машинный код для процессоров ARM обычно в 1,5-2,5 раза объёмнее, чем для Intel x86.
• Для Intel x86 компилятор использует умножение (команду imul - умножение целых чисел со знаком), а для ARM умножение заменяется сдвигом и сложением : как уже обсуждалось выше, операция умножения является ресурсоёмкой, поэтому при компиляции программы под RISC-процессор везде, где имеется возможность избежать использования команды машинного умножения, компилятор делает это.
• Для Intel x86 в командах безусловного (jmp) и условного (jle) перехода параметр, указывающий, насколько следует "прыгнуть" относительно адреса текущей команды (так называемое смещение), задаётся в байтах (например, jmp .+4 означает: "перепрыгни" через четыре байта машинного кода). У ARM все команды, представленные в виде машинного кода, имеют одинаковую длину - по четыре байта. Поэтому команды перехода (b и ble) оперируют не адресом, а сразу номером команды, соответственно и смещение задаётся не в байтах, а в количестве команд, причём не считая следующей (например,jmp .+1 означает: "перепрыгни" через две команды).

Отметим также, что мы намеренно запретили использованным компиляторам оптимизировать программу. При включённых оптимизациях современные компиляторы выполняют много преобразований, которые в нашем случае существенно усложнили бы результирующий код, сделав его непригодным для нашей иллюстративной задачи. Читатели могут в качестве упражнения самостоятельно задать параметры оптимизации и посмотреть на то, что получится в итоге.

Рис. 9.1. Результаты компиляции программы на C в машинный код для процессоров Intel x86 и ARM

Вопросы

1. Дайте определение CISC-архитектуры.
2. Перечислите свойства машинных языков CISC-процессоров.
3. Назовите преимущества и недостатки CISC-архитектуры.
4. Дайте определение RISC-архитектуры.
5. Перечислите свойства машинных языков RISC-процессоров.
6. Назовите преимущества и недостатки RISC-архитектуры.
7. Назовите обстоятельства, повлиявшие на популярность RISC-архитектур.
8. Почему в настоящее время недружественный машинный язык RISC-процессоров не является существенным недостатком?
9. Приведите пример сложной команды, расскажите, как она реализована.
10. Что такое микрокод и для чего он используется?
11. Приведите пример сложной машинной команды CISC-процессора.
12. Перечислите варианты видов аргументов для двухаргументых машинных команд.
13. Продемонстрируйте разницу между CISC- и RISC-процессорами на примере операции сложения.
14. Какие программы имеют больше машинных команд и почему - программы для CISC- или RISC-процессоров?
15. Какие программы имеют больший объем машинного кода - для CISC- или RISC-процессоров?
16. Какие программы выполняются быстрее - для CISC- или RISC-процессоров?
17. Оттранслируйте фрагмент программы на языке C для CISC-процессора, прокомментируйте результаты трансляции.
18. Оттранслируйте фрагмент программы на языке C для RISC-процессора, прокомментируйте результаты трансляции.

Литература

1. Гуров В.В. Архитектура микропроцессоров / Интернет-университет информационных технологий, Интернет-Университет Информационных Технологий (ИНТУИТ), Бином. 2010. 272 с.
2. Хорошевский В.Г. Архитектура вычислительных систем.: Учеб. пособие. 2-e изд., перераб. и доп. M.: Изд-во МГТУ им. H.Э. Баумана, 2008. 520 c.
3. Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. 6-е изд. СПб.: Питер, 2013. 816 с.
4. Patterson D. A., Ditzel D. R. The case for the reduced instruction set computer //ACM SIGARCH Computer Architecture News. 1980, vol. 8, No 6, P. 25-33.
5. Intel 80386 Programmer's Reference Manual. Intel Corporation, 1986.