Основные классификационные признаки архитектур

По форматам используемых команд (инструкций) можно выделить:

• • CISC-архитектуру, которая относится к 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 более 200 команд разной степени сложности (от 1 до 15 байт) и использовать десятки различных способов адресации, что позволяет программисту реализовать наиболее эффективные алгоритмы решения различных задач. Недостаток CISC-архитектуры — дальнейшее ее развитие связано с существенным усложнением структуры микропроцессора, повышением его стоимости и увеличением временных затрат на исполнение программы;
• • RISC-архитектуру, которая 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 около 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-сотни регистров общего назначения (РОН), тогда как в CISCпроцессорах имеется 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, сокращаются его размеры и стоимость, значительно повышается производительность. Благодаря указанным достоинствам во многих современных CISC-процессорах (последние модели Pentium и К7) используется RISC-ядро. При этом сложные CISC-команды предварительно преобразуются в последовательность простых RISC-операций и быстро выполняются RISC-ядром;
• • VLIW-архитектуру, которая относится к микропроцессорам с использованием очень длинных команд (Very Large Instruction Word). Отдельные поля команды содержат коды, обеспечивающие выполнение различных операций. Одна VLIW-коигнаа может выполнить сразу несколько операций одновременно в различных узлах микропроцессора. Формирование «длинных» VLIW-команд производит соответствующий компилятор при трансляции программ, написанных на языке высокого уровня. VLIW-архитектура реализована в некоторых типах современных микропроцессоров и является весьма перспективной для создания нового поколения сверхвысокопроизводительных процессоров.

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

• принстонская архитектура, или архитектура 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;

• гарвардская архитектура, особенностью которой является физическое разделение памяти на память команд (программ) и память 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.

Недостатки гарвардской архитектуры: 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 получила 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.