Архитектура системы команд

Системой команд вычислительной машины называют полный перечень команд, которые способна выполнять данная ВМ. В свою очередь, под архитектурой системы команд (АСК) принято определять те средства вычислительной машины, которые видны и доступны программисту.

Современная технология программирования ориентирована на языки высокого уровня (ЯВУ), главная цель которых – облегчить процесс программирования. Переход к ЯВУ, однако, породил серьезную проблему: сложные операторы, характерные для ЯВУ, существенно отличаются от простых машинных операций, реализуемых в большинстве, вычислительных машин. Проблема получила название семантического разрыва, а ее следствием становится недостаточно эффективное выполнение программ

По способу преодоления данной проблемы различают три типа АСК:

1. Архитектура с полным набором команд: CISC (Complex Instruction Set Computer);

2. Архитектура с сокращенным набором команд: RISC (Reduced Instruction Set Computer);

3. Архитектура с командными словами сверх большой длины – VLIW (Very Long Instruction Word).

В Вычислительных машинах типа CISC проблема семантического разрыва решается насчет расширения системы команд, дополнения ее сложными командами, семантически аналогичными операторам ЯВУ. Основоположником CISC-архитектуры считается компания IВМ, которая начала применять данный подход с семейства машин IВМ 360 и продолжает его в своих мощных современных универсальных ВМ, таких как IВМ ES 9000. Аналогичный подход характерен и для компании Intеl в ее микропроцессорах серии 8086 и Реntium. Для CISC-архитектуры типичны:

- наличие в процессоре сравнительно небольшого числа регистров общего назначения;

- большое количество машинных команд, некоторые из них аппаратно реализуют сложные операторы ЯВУ;

- разнообразие способов адресации операндов;

- множество форматов команд различной разрядности;

- наличие команд, где обработка совмещается с обращением к памяти.

Термин RISC впервые был использован Д. Паттерсоном и Д. Дитцелем и 1980 году. Идея заключается в ограничении списка команд ВМ наиболее часто используемыми простейшими командами, оперирующими данными, размещенными только в регистрах процессора. Обращение к памяти допускается лишь с помощью специальных команд чтения и записи. Резко уменьшено количество форматов команд и способов указания адресов операндов. Сокращение числа форматов команд и их простота, использование ограниченного количества способов адресации, отделение операций обработки данных от операций обращения к памяти позволяет существенно упростить аппаратные средства ВМ и повысить их быстродействие.

Помимо RISC и CISC-архитектур в общей классификации был упомянут еще один тип АСК – архитектура с командными словами сверхбольшой длины (VLIW). Концепция VLIW базируется на RISC-архитектуре, где несколько простых RISC-команд объединяются в одну сверхдлинную команду и выполняются параллельно. В плане АСК архитектура VLIW сравнительно мало отличается от RISC. Появился лишь дополнительный уровень параллелизма вычислений, в силу чего архитектуру VLIW логичнее адресовать не к вычислительным машинам, а к вычислительным системам.

Таблица 1.1.

Сравнительная оценка CISC-, RISC- и VLIW- архитектур