Не хотите RISCовать? Узнайте больше о процессорах архитектуры RISC

Что такое RISC-архитектура? Краткая история

Аббревиатура «RISC», от английского - reduced instruction set computer, переводится на русский как «сокращенное (ограниченное) число команд (инструкций)».

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 представители IT-гиганта IBM, было выяснено, что большинство комбинаций команд и прямых методов адресации, не были задействованы использовавшимися в то время компиляторами («сборщики» исходного программного кода высокого уровня в программу на машинном языке, «понятную» компьютеру). Кроме того, было обнаружено, что программы, реализующие набор инструкций актуальных процессоров, зачастую обрабатывают сложные операции значительнее медленнее простых, выполняющие те же действия. Основная проблема заключалась в общей оптимизации микрокода процессора. Для решения простых задач процессоры того времени представляли из себя слишком сложные устройства, содержащие в себе большое количество инструкций, половина которых, могла даже быть не задействована. Соответственно, обработка всех инструкций сказывалась и на общей производительности процессора. Учтя все минусы современных процессоров того времени, было принято решение о разработке новой архитектуры. Основной фокус – сделать инструкции процессора настолько простыми, чтобы они легко и эффективно конвейеризировались (технология организации вычислений в процессорах и контроллерах). После нескольких лет исследований, в начале 80-х годов, было выпущено несколько видов процессоров, общее название которых и дало имя всей архитектуры – RISC. Своим созданием новая архитектура обязана американскому инженеру Дэвиду Паттерсону, руководителю проекта Berkeley RISC с 1980 по 1984 годы. В рамках данного проекта были разработаны дебютные процессоры новой архитектуры - RISC I и RISC II.

Профессора кафедры «Электротехника и компьютерные науки (EECS)» калифорнийского университета в Беркли, слева направо, Дэвид Паттерсон и Карло Секин. Участники проекта «Berkeley RISC». (ссылка на источник)

CISC и RISC процессоры. Характерные отличия, преимущества и недостатки

Все процессоры в мире, условно можно поделить на два типа – RISC, о нем уже было ранее сказано, и CISC. Что же такое CISC-процессор? Аббревиатура «CISC», от английского complete instruction set computing, переводится как «полный набор команд (инструкций)».

Главные особенности, определяющие архитектуру CISC:

• большое количество различных по длине и формату команд, выполняемых за несколько тактов центрального процессор
• управление с помощью программируемой логики (кодировка инструкций)
• преобладание двухадресной адресации и развитый механизм адресации операндов (переменная, над которой производят операции в коде)

CISC-процессоры являются так называемыми «классическими» процессорами. Они содержат в сотни раз больше команд, чем RISC-архитектура, используют больше способов адресации и т.д. На рубеже 80—90-ых в мире разгорелся настоящий «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. И решение было найдено не в технических аргументах сторон, а в технологическом преимуществе Intel и AMD. Но, с начала 2000-х, с момента появления мобильных решений и стремительного скачка развития в этом сегменте технологий, архитектура RISC обрела новую жизнь. Кроме того, во многих современных процессорах CISC, отдельные блоки и модули инструкций, представляют из себя, не что иное как RISC-процессор.

Наглядное сравнение процессоров CISС и RISC архитектур. CISC – массивный, мощный Кадиллак с эффектными спойлерами. RISC – быстрый, маневренный, компактный Porsche. (Из выступления Дэвида Паттерсона в 1985 году, ссылка).

В данной части мы не будем подробно рассматривать технические характеристики процессоров RISC, основные принципы построения архитектуры, алгоритмы логики и т.д. На данную тему, в просторах интернета, можно найти множество различных статей, как в англоязычном, так и в русскоязычном сегменте. Нас же, в первую очередь интересует вопрос – «Что получит обычный пользователь, приобретая оборудования на базе архитектуры RISС процессора?». Именно этот вопрос, послужит основным тезисом при разборе преимуществ и недостатков далее.

Преимущества

1. Главное, и, пожалуй, основополагающее преимущество при выборе оборудование на базе процессора RISC - цена. Связано это в первую очередь с тем, что наборы инструкций RISC-процессоров просты и соответственно, для их выполнения, нужно меньшее количество логических элементов, что в конечном счете влияет на итоговую стоимость процессора. Кроме того, производство RISC-процессоров не требует сложных технологических процессоров, по сравнению с CISC, и занимает гораздо меньше времени.
2. Общее быстродействие процессора. Связано это в первую очередь с небольшим числом команд, форматов, режимов и т.д., что ведет к упрощению схемы декодирования, и оно происходит быстрее.
3. Использование семейства операционных систем Linux. Можно сказать, что оборудование на базе процессора RISC является идеальным для установки операционных систем Linux. Мощный рывок в развитии, особенно за последние несколько лет, RISC-подобные процессоры получили благодаря использованию открытого программного обеспечения, которое в дальнейшем раскрылось в использование различных дистрибутивов под разные задачи и от разных разработчиков. Любой производитель оборудования на RISC-процессоре, как правило может предоставить все необходимые драйвера, даже под несколько дистрибутивов. По запросу также есть возможность получить SDK (software development kit) набор.

К сожалению, недостатки RISC процессоров, тесно связаны с их преимуществами.

Недостатки

1. Недостаточная производительность и функциональность. К сожалению, да, несмотря на свое быстродействие, 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. Большая часть программного обеспечения, сегодня написана под процессоры Intel и AMD, соответственно для работы с архитектурой RISC, оно должно быть перекомпилировано или переписано заново, что часто создает определенные сложности, а порой и просто невыполнимость задачи.
3. Сокращенное число команд в архитектуре RISC, создает ситуации, когда на выполнение нескольких функций, приходится тратить несколько команд, в отличие от одной в архитектуре CISC. Это удлиняет не только код программы, но и увеличивает трафик команд между памятью и центральным процессором. Проводимые исследования показатели, что в среднем, длина кода программы в архитектуре RISC на 30% больше, чем аналогичной программы в CISC.

Простой пример сравнения СISC-кода и RISC-кода.

Основные RISC-процессоры. Что применяют в промышленности?

Как уже упоминалось выше, на сегодняшний день, RISС-подобные процессоры активно развиваются в своем сегменте рынка. Большую часть этого сегмента, 80%-90% занимают процессоры для товары широкого потребления. Конечно же, это различные смартфоны, планшетные компьютеры, игровые приставки и т.д. Любое мобильное устройство, где необходимо использование процессора, с вероятностью 90% построено на вычислительной мощности RISC-подобного процессора. Но, возможно Вы об этом не слышали и сам термин «RISC-подобный» вызывает дополнительные вопросы. Неоднократно в данной статье говорилось о RISC-подобных процессорах, что же это такое? RISC-подобные процессоры – это процессоры, в базисе архитектуры которых, были заложены основные идеи при разработке первых RISC процессоров, но в дальнейшем, приобретали свои уникальные свойства, особенности и развивались уже собственным путем. Инженеры-разработчики данных процессоров, черпали вдохновение именно из идей проекта «Berkeley RISC». Самые известные архитектуры RISC-подобных процессоров это ARM, MIPS, SPARK. Но конечно же есть и другие, менее распространённые, либо применяемые только в специализированных сферах, такие как – SuperH (SH), PowerPC, AVR и другие. Даже Intel и AMD разработали некогда свою собственную архитектуру на RISC-ядре – Intel P5/P6 и AMD K5/K6/K7. Но, стоит сказать об интересной особенности, данные компании занимаются лишь проектированием и лицензированием микропроцессорных устройств, но своих производственных мощностей не имеют. Например, лицензиатами архитектуры ARM, являются такие известные мировые производителя как AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon и многие другие. Соответственно, такие современные процессоры как Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 и Apple A12Z, разработаны на ARM-микропроцессоре. Самые известные производители, использующие в своих процессорах MIPS архитектуру, это Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba и российская компания «Т-Платформа», использующий процессорные ядра P5600 архитектуры MIPS32 Release 5 в процессоре Baikal-T1. Как мы можем увидеть, рынок RISC-подобных процессоров в массовом сегменте достаточно широкий, и можно найти решения отвечающее любым задач, но как обстоят дела в промышленном сегменте?

Особенности промышленных компьютеров RISC

Развитие RISC-подобных процессоров в промышленной отрасли отличается от массового рынка. В первую очередь это связано с не таким огромным спросом на устройства с данным типом процессора. Если у производителя есть возможности, он может реализовать в своем устройстве уже готовое процессорное ядро от стороннего разработчика и в дальнейшем просто оптимизировать под него программное обеспечение. Чаще всего так и происходит и самые распространённым для применения процессором в данном контексте является Cortex, являющийся процессором ARM архитектуры от разработчика ARM Holdings. Более сложный путь, иметь собственный процессор, развитие и разработка которого полностью зависят от самого производителя. Одним из таких производителей является компания DMP, которая выпускает процессоры собственной линейки под названием Vortex86. Процессоры серии Vortex86 являются процессорами так называемой «системой на кристалле» (от. System-on-a-Chip, SoC), т.е. один чип включающий в себя CPU, North Bridge и South Bridge.

Блок-диаграмма процессора Vortex86DX3.

На базе данного семейства процессоров подразделение производителя DMP, компания iCOP, разрабатывает и выпускает промышленное оборудование различного форм-фактора. У компании есть три основные линейки, каждая из которых включает различные варианты конфигураций и функционала для задач любой сложности.

Так какие же основные преимущества у промышленных компьютеров на базе процессоров RISC? Перечислим их по пунктам:

• Цена. Стоимость промышленного вычислительного оборудования в основе которого лежит RISC-подобный процессор, всегда будет ниже по сравнению с аналогичным оборудованием, но на базе процессоров Intel или AMD. Основные доводы были проведены нами ранее. В этом случае нет зависимости массовый это сегмент или промышленный.
• Долгий уровень поддержки. Это означает то, что производитель RISC-подобного процессора не зависит от решений мировых корпораций и тенденций на массовом рынке. Производитель смотрит только на промышленный сегмент и может даже руководствоваться необходимыми рамками производства той или иной модели процессора, в условиях применения исключительно только в одном проекте. Да, в таком случае, это должен быть довольно крупный проект, но решение принимается индивидуально в процессе общения с конечным пользователем. Срок такой поддержки может достигать 15-20 лет.
• Поддержка работы в экстремально низких температурах. Это одно из главных преимуществ RISC-подобных процессоров в промышленности. За счет своей достаточной производительности, низкого тепловыделения и архитектуры, оборудование на базе RISС-подобных процессоров поддерживает и проще адаптируется к работе при низких минусовых температурах.
• Свобода разработки программного обеспечения с поддержкой производителя процессора. Если планируется использовать ОС на базе любого дистрибутива Linux, то адаптировать программное обеспечение под RISC-подобный процессор намного проще из-за простых наборов инструкций, выполнение которых происходит достаточно быстро. Дополним это преимущество и возможностью писать программы для Linux почти на любом языке программирования, начиная от Java и Python и заканчивая С++.
• Гибкая конфигурация и разработка решений под ключ. Можно сказать, это основный интерес производителей RISC-подобных процессоров, предлагать не стандартные решения, а уникальные и зачастую разработанные специально под какие-то специализированные нужды. Даже на базе, например какой-либо стандартной платы, в основе которой лежит процессор Vortex86, производитель готов создать устройство только с необходимыми заказчику функциями.

Особенности промышленных компьютеров RISC

С момента своего появления и до сегодняшних дней, эволюция процессоров RISC сделала гигантский скачок вперед и запас потенциала их дальнейшего развития еще очень и очень велик. С появления узкоспециализированных процессоров в рамках закрытых научных программ до базовой вычислительной основы миллионов устройств по всему миру, кажется, прошло совсем немного времени, но данный промежуток ярко показывает насколько это была гениальная инженерная мысль с последующим ее огромным влиянием на развитие всей IT-индустрии.