CISC- и RISC-процессоры

Часто приходится сталкиваться с непониманием термина RISC, общепринятая расшифровка которого — Reduced Instruction Set Computer (компьютер с уменьшенной системой команд). Какой же, говорят, SPARC или PowerPC -RISC, если у него количество кодов команд не уступает или почти не уступает количеству команд в х8б? Почему тогда х86 не RISC, ведь у него команд гораздо меньше и они гораздо проще, чем у VAX 11/780, считающегося классическим примером CISC-архитектуры. Да и технологии повышения производительности у современных х86 и RISC-процессоров используются примерно те же, что и у больших компьютеров 70-х: множественные АЛУ, виртуальные регистры, динамическая перепланировка команд.

В действительности, исходно аббревиатура RISC расшифровывалась несколько иначе, а именно как Rational Instruction Set Computer (RISC, компьютер с рациональной системой команд). RISC-процессоры, таким образом противопоставлялись процессорам с необязательно сложной (CISC - Complex Instruction Set Computer, компьютер со сложной системой команд), но "иррациональной", исторически сложившейся архитектурой, в которой, в силу требований бинарной и ассемблерной совместимости с предыдущими поколениями, накоплено множество команд, специализированных регистров и концепций, в общем-то и не нужных, но вдруг отменишь команду двоично-десятичной коррекции, а какое-то распространенное приложение "сломается"? А мы заявляли бинарную совместимость. Скандал!

Понятно, что быть "рациональными" в таком понимании могут лишь осваивающие новый рынок разработчики, которых не заботит та самая бинарная совместимость. Уже сейчас, например, фирма Sun, одним из главных достоинств своих предложений на основе процессоров UltraSPARC числит полную бинарную совместимость с более ранними машинами семейства SPARC. Новые процессоры вынуждены поддерживать бинарную совместимость с 64-разрядными младшими родственниками и режим совместимости с 32-разрядными. Где уж тут заботиться о рациональности.

С другой стороны, рациональность тоже можно понимать по-разному. В конце 70-х и первой половине 80-х годов общепринятым пониманием "рациональности" считалась своеобразная (с высоты сегодняшнего дня) ориентация на языки высокого уровня. Относительно примитивные трансляторы тех времен кодировали многие операции, например прологи и эпилоги процедур, доступ к элементу массива по индексу, вычислимые переходы (switch в С, Case в Pascal) при помощи стандартных последовательностей команд. Поскольку все меньше и меньше кода писалось вручную и все больше и больше — генерировалось трансляторами, разработчики процессоров решили пойти создателям компиляторов навстречу.

Этот шаг навстречу выразился в стремлении заменить там, где это возможно, последовательности операций, часто встречающиеся в откомпилированном коде, одной командой. Среди коммерчески успешных архитектур апофеозом этого подхода следует считать семейство миникомпьютеров VAX фирмы DEC, в котором одной командой реализованы не только пролог Функции и копирование строки символов, но и, скажем, операции удаления и вставки элемента в односвязный список. Приведенная в качестве примера шестиадресной команды команда INDEX — реальная команда этого процессора. Отдельные проявления этой тенденции без труда прослеживаются и в системах команд MC68000 и 8086. Аббревиатура CISC позднее использовалась именно для характеристики процессоров этого поколения.

- Другой стороны, неумение трансляторов этого поколения эффективно Размещать переменные и промежуточные значения по регистрам считалось Доводом в пользу того, что от регистров следует отказываться и заменять их Регистровыми стеками или кэш-памятью. (Впрочем, и у VAX, и у MC68000 с Регистрами общего назначения было все в порядке, по 16 штук.)

Ко второй половине 80-х развитие технологий трансляции позволило заменить генерацию стандартных последовательностей команд более интеллектуальным и подходящим к конкретному случаю кодом. Разработанные технологии оптимизации выражений и поиска инвариантов цикла позволяли, в частности, избавляться от лишних проверок. Например, если цикл исполняется фиксированное число раз, а счетчик цикла используется в качестве индекса массива, не надо вставлять проверку границ индекса в тело цикла — достаточно убедиться, что ограничитель счетчика не превосходит размера массива. Более того, если счетчик используется только в качестве индекса, можно вообще избавиться и от него, и от индексации, а вместо этого использовать указательную арифметику. Наконец, если верхняя граница счетчика фиксирована и невелика, цикл можно развернуть (пример 2.6).

Пример 2.6. Эквивалентные преобразования программы

/* Пример возможной стратегии оптимизации.

* Код, вставляемый компилятором для проверки границ индекса,

* выделен при помощи нестандартного выравнивания. */

int array[100];

int bubblesort(int size) ) int count; do {

count=0;

for(i=l; i<100; i++) {

if (i<0 || i>100) raise(IndexOverflow); if (i-l<0 || i-l>100) raise(IndexOverflow); if (array[i-1]<array[i]) { if (i<0 || i>100) raise(IndexOverflow);

int t=array[i];

if (i<0 || i>100) raise(IndexOverflow); if (i-l<0 || i-l>100) raise(IndexOverflow);

array[i]=array[i-1];

if (i-l<0 II i-l>100) raise(IndexOverflow); array[i-1]=t; count++; I

while (count != 0) ;

// оптимизированный внутренний цикл может выглядеть так: register int *ptr=array; register int *limit=ptr; register int t=*ptr++;

if (size<100) limit+=size; else limit+=100;

while (ptr<limit) { if (t<*ptr) { ptr[-l]=*ptr;

*ptr++=t; count++; ) else t=*ptr++;

}

if (size>100) raise (IndexOverf low) ;

По мере распространения в мини- и микрокомпьютерах кэшей команд и данных, а также конвейерного исполнения команд, объединение множества действий в один код операции стало менее выгодным с точки зрения производительности.

Это привело к радикальному изменению взглядов на то, каким должен быть идеальный процессор, ориентированный на исполнение откомпилированного кода. Во-первых, компилятору не нужна ни бинарная, ни даже ассемблерная совместимость с чем бы то ни было (отсюда "рациональность"). Во-вторых, ему требуется много взаимозаменяемых регистров — минимум тридцать два, а на самом деле чем больше, тем лучше. В-третьих, сложные комбинированные команды усложняют аппаратуру процессора, а толку от них все равно нет, или мало.

Коммерческий успех процессоров, построенных в соответствии с этими взглядами (SPARC, MIPS, PA-RISC) привел к тому, что аббревиатура

USC стала употребляться к месту и не к месту — например, уже упоминавшийся Transputer (имевший регистровый стек и реализованный на Уровне системы команд планировщик, т. е. являющийся живым воплощением описанного ранее CISC-подхода) в документации называли RISC-процессором, фирма Intel хвасталась, что ее новый процессор Pentium построен на RISC-ядре (что под этим ни подразумевалось?) и т. д.