1.7 Архитектура центрального процессора

Как уже отмечалось выше, понятие «архитектура» применимо не только к компьютеру в целом, но и к отдельным его компонентам, прежде всего к процессору. Рассмотрим основные архитектуры процессоров, различающихся набором команд.

CISC (Complex Instruction Set Computing, или Complex Instruction Set Computer – компьютер с полным набором команд) – концепция проектирования процессоров, которая характеризуется следующим набором свойств:

• нефиксированное значение длины команды;
• арифметические действия кодируются в одной команде;
• небольшое число регистров, каждый из которых выполняет строго определённую функцию.

Типичными представителями CISC-процессоров являются процессоры на основе команд Intel x86 (исключая современные Intel Pentium 4, Pentium D, Core, AMD Athlon, Phenom, которые являются гибридными) и процессоры Motorola MC680x0.

Наиболее распространённая архитектура современных настольных, серверных и мобильных процессоров построена по архитектуре Intel x86 (или х86-64 в случае 64-разрядных процессоров). Формально все х86-процессоры являлись CISC-процессорами.

Однако новые процессоры, начиная с Intel Pentium Pro, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции процессоров x86 в более простой набор внутренних инструкций RISC. В микропроцессор встраивается аппаратный транслятор, превращающий команды x86 в команды внутреннего RISC-процессора. При этом одна команда x86 может порождать несколько RISC-команд (в случае процессоров типа P6 – до четырёх RISC-команд в большинстве случаев). Исполнение команд происходит на суперскалярном конвейере одновременно по несколько штук.

Это потребовалось для увеличения скорости обработки CISC-команд, так как известно, что любой CISC-процессор уступает RISC-процессорам по количеству выполняемых операций в секунду. Такой подход и позволил поднять производительность CPU.

RISC (Restricted (Reduced) Instruction Set Computer – компьютер с сокращённым набором команд) – архитектура процессора, в котором быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций, чтобы их декодирование было более простым, а время выполнения – меньшим. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления.

Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность (распараллеливание инструкций между несколькими исполнительными блоками).

Наборы инструкций в более ранних архитектурах для облегчения ручного написания программ на языках ассемблеров или прямо в машинных кодах, а также для упрощения реализации компиляторов выполняли как можно больше работы. Нередко в наборы включались инструкции для прямой поддержки конструкций языков высокого уровня.

Другая особенность этих наборов – большинство инструкций, как правило, допускали все возможные методы адресации (т. е. «ортогональность системы команд»), например, и операнды, и результат в арифметических операциях доступны не только в регистрах, но и через непосредственную адресацию, и прямо в памяти. Позднее такие архитектуры были названы CISC.

Первое время RISC-архитектуры с трудом принимались рынком из-за отсутствия программного обеспечения для них. Эта проблема была решена переносом UNIX-подобных операционных систем (SunOS) на RISC-архитектуры. В настоящее время многие архитектуры процессоров являются RISC-подобными, например ARM, DEC Alpha, SPARC, AVR, MIPS, POWER и Power PC.

Наиболее широко используемые в настольных компьютерах процессоры архитектуры x86 ранее являлись CISC-процессорами, однако новые процессоры, начиная с Intel 486DX, являются CISC-процессорами с RISC-ядром. Они непосредственно перед исполнением преобразуют CISC-инструкции x86-процессоров в более простой набор внутренних инструкций RISC.

После того как процессоры архитектуры x86 были переведены на суперскалярную RISC-архитектуру, можно сказать, что большинство существующих ныне процессоров основаны на архитектуре RISC.

Сравнение различных процессоров с архитектурами CISC и RISC даётся в таблице 1.3.

Таблица 1.3 – Сравнение процессоров с различными архитектурами [12]

Характеристика	CISC		RISC
	VAX11/780	Intel 486	MIPS R4000
Количество инструкций	303	235	94
Методы адресации	22	11	1
Размер инструкций, байт	2–57	1–12	4
Число регистров общего назначения (РОН)	16	8	32

Кроме упомянутых, ещё находит своё применение SPARC-архитектура. SPARC (Scalable Processor ARChitecture – масштабируемая архитектура процессора) – это вариант архитектуры RISC-микропроцессоров, первоначально разработанный в 1985 г. компанией Sun Microsystems.

Архитектуры процессоров для планшетных компьютеров. В мобильных устройствах и планшетах в основном применяются две архитектуры процессоров – Intel х86 и ARM.

Архитектура x86 (англ. Intel 80×86) – архитектура процессора c одноимённым набором команд, впервые реализованная в процессорах компании Intel. Процессоры этой архитектуры широко применяются в настольных компьютерах и ноутбуках. Чтобы можно было использовать программное обеспечение, предназначенное для настольных компьютеров, и на планшетах тоже, применяются процессоры с этой архитектурой. Процессоры, применяемые в планшетах: Intel® Atom™; NVIDIA Tegra 3; Intel Core i5-3427U.

Главное преимущество процессоров на архитектуре Intel x86 – совместимость с привычными компьютерными программами, а недостаток – довольно большое энергопотребление, по оценкам различных источников как минимум в 5 раз больше, чем в процессорах на архитектуре ARM.

Вследствие высокого энергопотребления процессоры архитектуры х86 устанавливаются, как правило, в планшеты с док-станцией, что позволяет сделать из планшета полноценный компьютер. Увеличение продолжительности работы планшета достигается путём установки в док-станцию дополнительного аккумулятора, что обеспечивает практически одинаковое время автономной работы планшета с х86 в сравнении с планшетом архитектуры ARM.

Архитектура ARM (Advanced RISC Machine – усовершенствованная RISC-машина, RISC – Reduced Instruction Set Computing, компьютер с сокращённым набором команд). В архитектуре ARM выпускаются процессоры с поддержкой 32-битных и 64-битных микропроцессорных ядер разработки компании ARM Limited. Компания занимается только разработкой ядер и инструментов для них (компиляторы, средства отладки и т. п.).

Непосредственным производством процессоров компания не занимается, производство процессоров осуществляют другие компании по лицензии. Процессоры архитектуры ARM имеют низкое энергопотребление, широко применяются в мобильных устройствах, так как не требуют дополнительного охлаждения. Следует отметить, что процессоры архитектуры ARM применяются не только в смартфонах и планшетах, но и в медиаплеерах, телевизорах, а также в автомобильных компьютерах.

Компания Apple также разрабатывает свои процессоры по архитектуре ARM, но они носят собственное название «А». Процессоры производят также Samsung и другие компании. Процессоры «А» устанавливаются в различные продукты, но только изготовленные фирмой Apple.