Что такое RISC-архитектура? Краткая история
Аббревиатура «RISC», от английского - reduced instruction set computer, архитектура компьютера с ограниченным набором простых и быстрых команд для процессора.
Очень часто в каталогах продукции различных производителей можно встретить название раздела или описание товара с указанием «на базе RISC». Данное заявление не относится к описанию каких-либо особых функций или характеристик оборудования. Оно связано только с одним из важнейших элементов любой ЭВМ, ее «вычислительным сердцем», без которого, не может функционировать ни один компьютер в мире. Указывая «RISC», производитель подразумевает только одно – процессор.
Свое начало «RISC» архитектура процессоров берет в середине 70-х – 80-х годов. Исследователями того времени, в частности IT-гигантом IBM, было выяснено, что большинство комбинаций команд и методов адресации памяти, не были задействованы компиляторами. Компилятор - это «сборщик» программного кода высокого уровня в программу на машинном языке, «понятную» компьютеру.
Кроме того, было обнаружено, что программы со сложными инструкциями и командами обрабатываются значительно медленнее простых.
Основная проблема заключалась в общей оптимизации микрокода процессора. Для решения простых задач процессоры того времени представляли из себя слишком сложные устройства. Процессоры имели большое количество инструкций, но половина из них могла не использоваться. Соответственно, обработка всех инструкций сказывалась на общей производительности процессора.
Учтя все минусы процессоров того времени, было принято решение о разработке новой архитектуры. Основная проблема была в том, что нужно было сделать инструкции процессора настолько простыми, чтобы они легко и эффективно конвейеризировались. Вычислительный конвейер используется в процессорах для увеличения числа инструкций, выполняемых в единицу времени.
После нескольких лет исследований, в начале 80-х годов, было выпущено несколько видов процессоров, общее название которых и дало имя всей архитектуре – RISC. Своим созданием новая архитектура была обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, руководителю проекта Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы. В рамках данного проекта были разработаны процессоры новой архитектуры - RISC I и RISC II.
CISC и RISC процессоры. Характерные отличия, преимущества и недостатки
Все процессоры в мире условно можно поделить на два типа – RISC и CISC. Что же такое CISC-процессор? Аббревиатура «CISC», от английского complex instruction set computing - архитектура компьютера с комплексным набором простых и сложных команд для процессора.
Главные особенности, определяющие архитектуру CISC:
· Большое количество разных команд. Они отличаются длиной и форматом, а также выполняются за несколько тактов центрального процессора.
· Управление осуществляется с помощью программируемой логики.
· Преобладает двухадресная адресации.
· Гибкий механизм адресации переменных.
CISC-процессоры являются так называемыми «классическими» процессорами. Они содержат в сотни раз больше команд, чем RISC-процессоры, используют больше способов адресации и т.д.
На рубеже 80—90-ых в мире разгорелся «жаркий» спор, о том, какой же процессор лучше? С одной стороны баррикад, поставщики процессоров RISC — Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), союз IBM и Motorola (PowerPC), с другой – Intel и AMD. Решение было найдено не в технических аргументах сторон, а в технологическом преимуществе Intel и AMD.
Но в начале 2000-х архитектура RISC обрела новую жизнь. Начался этап развития мобильных решений. Кроме того, во многих современных процессорах CISC, отдельные блоки и модули инструкций, представляют из себя, не что иное как RISC-процессор.
В данной статье мы не будем подробно рассматривать технические характеристики процессоров. На данную тему, в интернете можно найти множество различных статей. Нас же интересует вопрос – «Что получит обычный пользователь, приобретая оборудование на базе архитектуры RISС процессора?». Именно этот вопрос, послужит основным тезисом при разборе преимуществ и недостатков далее.
Преимущества RISC архитектуры
- Главное преимущество при выборе оборудования на базе процессора RISC - цена. Связано это в первую очередь с тем, что наборы инструкций RISC-процессоров просты и для их выполнения нужно меньше логических элементов, что в конечном итоге влияет на стоимость процессора. Кроме того, производство RISC-процессоров не требует сложных технологических процессов и занимает меньше времени.
2. Высокое быстродействие процессора. Связано это с небольшим числом команд, форматов и режимов работы процессора, что ведет увеличению скорости работы процессора.
3. Использование семейства операционных систем Linux. RISC процессоры получили мощный рывок в развитии благодаря использованию открытого программного обеспечения, которое адаптируется под разные задачи. Любой производитель оборудования на RISC-процессоре, как правило может предоставить драйвера и SDK (software development kit) под несколько дистрибутивов Linux.
К сожалению, недостатки RISC процессоров, тесно связаны с их преимуществами.
Недостатки RISC архитектуры
- Недостаточная производительность и функциональность. К сожалению, процессоры RISC не предназначены для решения сложных и трудоемких задач. Для обработки больших массивов данных, сложной графической информации, развертывания виртуальных сред и т.д., оборудование на базе RISC-процессора не подходит.
2. Несовместимость ПО созданного для CISC. Большая часть программного обеспечения, написана под процессоры Intel и AMD. Поэтому ПО должно быть перекомпилировано или переписано заново под RISC архитектуру. Это создает определенные сложности, а порой и просто невыполнимые задачи.
3. Приходится тратить больше времени на выполнение сложных команд. Из-за сокращенного числа команд в архитектуре RISC приходится использовать несколько команд, чтобы выполнить сложные функции. Это удлиняет не только код программы, но и увеличивает количество трафика между памятью и центральным процессором. Исследования показатели, что в среднем, длина кода программы в архитектуре RISC на 30% больше, чем аналогичной программы в CISC.
Основные RISC-процессоры
RISС процессоры заняли свой сегмент рынка и активно развиваются в нем. Большую часть сегмента составляют товары широкого потребления: смартфоны, планшетные компьютеры, игровые приставки, гаджеты и т.д.
При дальнейшем развитии технологии инженеры-разработчики шли своим путем, так появились различные модификации RISC архитектур. Самые известные архитектуры RISC процессоров - это ARM, MIPS, SPARK. Менее распространённые – SuperH (SH), PowerPC, AVR и другие. Даже Intel и AMD разработали свою собственную архитектуру на RISC-ядре – Intel P5/P6 и AMD K5/K6/K7.
Но, стоит сказать об интересной особенности, компании разработчики этих RISC архитектур занимаются лишь проектированием и лицензированием, а своих производственных мощностей не имеют. Например, лицензиатами архитектуры ARM, являются такие известные производители как AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon и многие другие.
Так современные процессоры Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 и Apple A12Z построены на ARM архитектуре. Архитектуру MIPS используют в своих решениях Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba и российская компания «Т-Платформа». Процессор Baikal-T1 построен на ядре P5600 архитектуры MIPS32 Release 5.
Как мы видим, рынок RISC процессоров в массовом сегменте достаточно широкий, но как обстоят дела в промышленном сегменте?
Что применяют в промышленности?
Развитие RISC-подобных процессоров в промышленной отрасли отличается от массового рынка. В первую очередь это связано с меньшим спросом.
Если у производителя нет возможности разработать свой процессор, то он может использовать готовый процессор от стороннего разработчика. И в дальнейшем просто оптимизировать под него программное обеспечение. Самым распространённым процессором в этом случае является Cortex, построенный на ARM архитектуре от ARM Holdings.
Более сложный путь - разработать собственный процессор. Одним из таких производителей является компания DMP, которая выпускает процессоры под названием Vortex86. Процессоры серии Vortex86 являются «системой на кристалле» (от. System-on-a-Chip, SoC), т.е. один чип включает в себя: CPU, North Bridge (NB) и South Bridge (SB).
Почему стоит выбрать промышленные ПК на базе RISC процессоров?
- Цена. Стоимость промышленного ПК на базе RISC процессора, всегда будет ниже по сравнению с аналогичным оборудованием на базе процессоров Intel или AMD. Основные доводы были приведены нами ранее. В этом случае нет зависимости массовый это сегмент или промышленный.
2. Длительный срок поддержки и производства. Это означает, что производитель RISC процессора не зависит от решений мировых корпораций и тенденций на массовом рынке. Производитель смотрит только на промышленный сегмент и объем потребности. Срок поддержки и производства процессора может достигать 15-20 лет.
3. Поддержка работы в экстремально низких температурах. Это одно из главных преимуществ RISC процессоров в промышленности. За счет своей архитектуры, низкого тепловыделения и достаточной производительности оборудование на базе RISС процессоров позволяет работать при минусовых температурах.
4. Свобода разработки ПО при поддержке производителя процессора. Производители RISC процессоров предоставляют драйвера и SDK (software development kit) под несколько дистрибутивов Linux. Кроме того, создавать кроссплатформенное ПО на Linux можно почти на любом языке программирования, начиная от Java, Python и заканчивая С++.
5. Разработка решений под ключ. Одно из основных преимуществ производителей RISC процессоров – это возможность создания не стандартного решения под клиента. Производитель готов модифицировать стандартное устройство и создать уникальное решение с необходимыми функциями под конкретного клиента.
Используете ли вы устройства на базе RISC процессоров в своих проектах? Какую задачу они выполняют?