RISC-архитектуры(Reduced Instruction Set Computer)

Основные черты CISC-архитектур
В основе архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computer) лежит эффективное использование памяти и относительная простота ассемблерного программирования (но достаточно сложная аппаратная реализация).
Каждая команда CISC-процессора включает в себя несколько операций. Это уменьшает количество операторов, требующихся для реализации конкретной программы, и предоставляет для программиста удобный и быстрый набор команд. Для CISC-процессоров характерны следующие черты.

Большое число машинных команд, некоторые из которых семантически нагружены аналогично операторам ЯВУ и выполняются за много тактов.
Большое количество методов адресации памяти, включая специализированные способы индексации с помощью массивов.
Формат команд: операция и два операнда: источник и адрес результата.
Команды переменной длины, длина часто меняется в зависимости от способа адресации.
Команды обмена типа Р-П, П-Р, Р-Р.
Небольшое количество (8-12) РОН. Это результат наличия команд, оперирующих непосредственно с памятью и ограниченности места на микросхеме, предназначенных для целей, отличных от декодирования и исполнения команд и хранения микрокоманд.
Микропрограммная реализация набора команд.

Проблемы и недостатки CISC-архитектур
Усложнение набора команд и аппаратной реализации с каждым новым поколением компьютеров.
Различным командам для выполнения требуется разное количество машинных тактов.
Многоформатность команд.
Многие специализированные команды используются недостаточно часто. В обычной программе используется около 20% наиболее употребительных команд.
Возникновение RISC-архитектур
Прорыв в схематехнике.
Семантический разрыв. Эта проблема возникла перехода к ЯВУ: сложные операторы, характерные для ЯВУ, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве ВМ.

Идея RISC-архитектуры
Основная идея RISC-архитектуры состояла в том, что последовательность простых команд, давая тот же результат, что и последовательность составных команд, может выполняться на более простой (и быстрой) физической архитектуре процессора при условии, что память так же не будет отставать.
CISC-процессоры проектировались под нужды asm-программистов, RISC-процессоры проектировались в расчете на типовой код, генерируемый компилятором.

Реализация RISC-архитектур
Результаты глубокого анализа показали, что основные усилия должны быть направлены на
упрощение набора команд,
эффективную реализацию конвейерной обработки путем тщательного планирования компилятором его загрузки
-- отделение медленной памяти от быстрой памяти (высокоскоростных регистров) (две инструкции Load/Store),
-- использование регистровых окон.

Два способа оптимального использования регистров
Программный способ.
Аппаратный способ.

Аппаратный способ

Программный способ

Пример. Умножение двух чисел.

Две реализации умножения двух чисел
The CISC Approach
The RISC Approach
MULT 2:3, 5:2
LOAD A, 2:3
LOAD B, 5:2
PROD A, B
STORE 2:3, A

Сравнительная характеристика RISC-компьютеров

Характеристики RISC-архитектур
Время выполнения большинства команд составляет один машинный такт.
Простые команды (аппаратная реализация).
Все команды имеют одинаковую длину так, что каждая команда может быть исполнена за один такт применения микропрограмм.
Набор команд обычно включает в среднем 128 наиболее часто используемых команд.
Небольшое число способов адресации (4). Операнды располагаются в регистрах. Стек памяти редко используется для передачи параметров процедур, вместо этого используются регистры.
Формат чаще трехадресный: команда берет операнды из двух регистров и помещает результат в третий регистр.
Доступ к памяти только посредством команд Чтение и Запись.
Все операции, кроме Чтения и Записи, имеют тип Р-Р.
Устройство управления с жесткой логикой.
Большой файл регистров общего назначения.

Сравнение архитектур
CISC
- Emphasis on hardware
- Includes multi-clock
complex instructions
Memory-to-memory:
"LOAD" and "STORE"
incorporated in instructions
Small code sizes,
high cycles per second
Transistors used for storing complex instructions
RISC
Emphasis on software
Single-clock
reduced instruction only
Register to register:
"LOAD" and "STORE"
are independent instructions
Low cycles per second,
large code sizes
Spends more transistors
on memory registers