Классификация архитектур

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить следующие виды архитектур:

  • CISC-архитектура присуща компьютерам с набором сложных команд (Complex Instruction Set Computer). Она реализована во многих типах микропроцессоров (например, Pentium), выполняющих большой набор разноформатных команд с использованием многочисленных способов адресации. Система команд процессоров с CISC-архитектурой может содержать несколько сотен команд разной степени сложности (от 1 до 15 байт) и использовать большое число различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Недостаток CISC-архитектуры обусловлен тем, что дальнейшее ее развитие связано с существенным усложнением структуры микропроцессора, повышением его стоимости и увеличением временны́х затрат на исполнение программы;
  • RISC-архитектура относится к компьютерам с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computer). Появление RISC-архитектуры продиктовано тем, что многие CISC-команды и способы адресации используются достаточно редко. Современные RISC-процессоры реализуют порядка 100 команд, имеющих фиксированный формат длиной 4 байта, и используют небольшое число наиболее простых способов адресации (регистровую, индексную и некоторые другие). Для сокращения количества обращений к внешней оперативной памяти RISC-процессоры содержат десятки и сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISC-процессорах всего 8–16 регистров. Обращение к внешней памяти в RISC-процессорах используется только в операциях загрузки данных в РОН или пересылки результатов из РОН в память. В результате существенно упрощается структура микропроцессора, уменьшаются его размеры и стоимость, а также значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC-процессорах используется RISC-ядро. При этом сложные CISC-команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций и быстро выполняются RISC-ядром;
  • VLIW-архитектура присуща к микропроцессорам, в которых используются очень длинные команды (Very Large Instruction Word), отдельные поля который содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW-команда может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование длинных VLIW-команд обеспечивает соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW-архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров и считается весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

По способу организации выборки команд и данных различают два вида архитектур:

  • принстонскую архитектуру, или архитектуру Фон-Неймана, особенностью которой является использование:
    • – общей оперативной памяти для хранения программ, данных и организации стека, что позволяет оперативно и эффективно перераспределять ее объем в зависимости от решаемых задач в каждом конкретном случае применения микропроцессора,
    • – общей системной шины, по которой в процессор поступают команды и данные, а в оперативную память записываются результаты, что значительно упрощает отладку, тестирование и текущий контроль функционирования системы, повышает ее надежность. Однако использование общей шины для передачи команд и данных ограничивает производительность цифровой системы;
  • гарвардскую архитектуру, особенностью которой является физическое разделение памяти команд (программ) и памяти данных. Это обстоятельство вызвано постоянно возрастающими требованиями к производительности микропроцессорных систем. Память команд и память данных соединяются с процессором отдельными шинами. Благодаря разделению потоков команд и данных, а также совмещению операций их выборки и записи результатов обработки обеспечивается более высокая производительность, чем при использовании принстонской архитектуры. К недостаткам гарвардской архитектуры следует отнести усложнение конструкции из-за использования отдельных шин для команд и данных; фиксированный объем памяти для команд и данных; увеличение общего объема памяти из-за невозможности ее оптимального перераспределения между командами и данными.

Гарвардская архитектура нашла широкое применение в микроконтроллерах – специализированных микропроцессорах для управления различными объектами, а также во внутренней структуре современных высокопроизводительных микропроцессоров в кэш-памяти с раздельным хранением команд и данных. В то же время во внешней структуре большинства микропроцессорных систем реализуются принципы принстонской архитектуры.

Отметим, что архитектура микропроцессора тесно связана с его структурой. Реализация тех или иных архитектурных особенностей требует введения в структуру микропроцессора соответствующих устройств и обеспечения механизмов их совместного функционирования.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >