Исследование RISC архитектуры процессоров

     Серия R4000, выпущенная в 1991 году, расширила  процессоры MIPS до 64 битов. (MIPS Technology была первой компанией выпустившей процессоры с 64-битовой архитектурой) R4000 состоит из 1,3 млн транзисторов, имеет встроенный кэш данных и кэш инструкций (оба по 8 Кб). В этом процессоре внешняя тактовая частота 50 МГц удваивается, а внутренняя тактовая частота составляет 100 МГц. Процессор R4400 выполнен на основе R4000, состоит из 2,2 млн транзисторов, имеет встроенный кэш данных и кэш инструкций (оба по 16 Кб), а внутренняя тактовая частота составляет 150 МГц. Набор команд этих процессоров (спецификация MIPS II) был расширен командами загрузки и записи 64-разрядных чисел с плавающей точкой, командами вычисления квадратного корня с одинарной и двойной точностью, командами условных прерываний, а также атомарными операциями, необходимыми для поддержки мультипроцессорных конфигураций. В процессорах R4000 и R4400 реализованы 64-битовые шины данных и 64-битовые регистры.

     MIPS, теперь являющийся отделом SGI под названием MTI, разработал недорогие процессоры R4200, послужившие основой для будущих (ещё более дешёвых) R4300i. Производная этого процессора, NEC VR4300, использовалась в игровых консолях Nintendo 64.

     Quantum Effect Devices (QED), самостоятельная компания, основанная разработчиками MIPS, разработала серию процессоров R4600 Orion, R4700 Orion, R4650 и R5000. Если в R4000 увеличили тактовую частоту, но пожертвовали количеством кэш-памяти, то QED уделили большое внимание и емкости кэш-памяти (доступ к которой можно получить всего за 2 цикла), и эффективному использованию поверхности кристалла. Процессоры R4600 и R4700 использовались в недорогих версиях рабочей станции SGI Indy, а также в первых маршрутизаторах Cisco (основанных на MIPS), например, серии 36х0 и 7х00. Микропроцессор R4650 применялся в телевизионных приставках WebTV (в настоящее время — Microsoft TV). В процессоре R5000 FPU диспетчеризация операций с плавающей точкой (одинарной точности) была более гибкой, чем в R4000, и, вследствие этого, рабочие станции SGI Indys, базированные на R5000 отличались лучшей графической производительностью, чем R4400 с такой же тактовой скоростью и графическим аппаратным устройством. Чтобы подчеркнуть улучшение после объединения R5000 и старой графической платы, SGI дала ей новое название. Немного позднее QED разработали семейство процессоров RM7000 и RM9000 для рынка сетей и лазерных принтеров. В Августе 2000 года компания QED была приобретена производителем полупроводников PMC-Sierra, и последняя продолжила инвестирование MIPS-архитектур. Процессор RM7000 включал в себя 256 Кб встроенной кэш-памяти 2го уровня и контроллер для дополнительной кэш-памяти 3го уровня. Были созданы процессоры RM9xx0 — семейство SOC-устройств, в которые включены такие периферийные составляющие (на северном мосту) как: контроллер памяти, PCI-контроллер, контроллер Ethernet, а также быстрые устройства ввода-вывода (например, высокопроизводительная шина типа HyperTransport).

     R8000 (представлен в 1994 году) был первой  суперскалярной архитектурой MIPS, способной осуществлять 2 целочисленные инструкции (или с плавающей точкой) и 2 инструкции обращения к памяти за один цикл. Данная разработка использовала 6 схем: устройство для целочисленных команд (16 Кб — команды и 16 Кб — кэш данных), для команд с плавающей точкой, три вторичных дескриптора кэш-памяти ОЗУ (два для вторичного доступа к кэш-памяти + один для отслеживания шины), а также кэш-контроллер ASIC. Архитектура имеет два полностью конвейезированных устройства умножения-сложения (с двойной точностью), которые могут передавать поток данных в 4 Мб внекристального вторичного кэша. В середине 1990х процессоры R8000 запустили SGI серверы POWER Challenge, а позже стали доступны на рабочих станциях POWER Indigo2. Хотя производительность этого FPU и была наиболее подходящей для научных сотрудников, ограниченность его целочисленной производительности и высокая цена не смогли привлечь большинство пользователей, поэтому R8000 был на рынке всего год, и даже сейчас его едва ли можно найти.

     В 1995 году был выпущен R10000. Этот процессор  в однокристальном исполнении, работал  с более высокой тактовой частотой, чем R8000, а также включал в себя объемную (32 КБ) первичную кэш-память данных и команд. Кроме того, он был  суперскалярным, но это главное новшество было неисправно. Но даже с более простым FPU, значительно увеличенная производительность целочисленный вычислений, более низкая цена и высокая плотность записи сделали R10000 предпочтительным для большинства пользователей.

     Все более поздние проекты были основаны на ядре R10000. В R12000 был использован 0.25 микронный технологический процесс  с целью уменьшить чип и достигнуть большей тактовой скорости. Исправленный R14000 имел более высокую тактовую частоту в дополнение с поддержкой DDR SRAM для внекристальной кэш-памяти. Следом были выпущены R16000 и R16000A, тактовая частота которых была также увеличена; в них была встроена дополнительная кэш-память первого уровня, а их производство требовало более мелких кристаллов, чем прежде.

     Среди других представителей семейства MIPS — R6000, ЭСЛ-реализация, выполненная компанией Bipolar Integrated Technology. R6000 относится к поколению процессоров MIPS II. Его TLB и устройство кэш-памяти значительно отличаются от остальных представителей данного семейства. R6000 не принес обещанной выгоды, и, хотя был признан в некоторой степени полезным для компьютеров Control Data, он мгновенно исчез с основного рынка.

     В настоящее время различные реализации MIPS используются в основном во встроенных системах, например, в устройствах  Windows CE, маршрутизаторах, шлюзах, а также в игровых консолях, таких как Sony PlayStation 2 и Sony PlayStation Portable. До конца 2006 года они применялись и в компьютерах SGI. К концу 1980х и 1990х эта архитектура широко использовалась многими компаниями, среди них Digital Equipment Corporation, NEC, Pyramid Technology, Siemens Nixdorf и Tandem Computers. С середины до конца 1990х годов каждым третьим микропроцессором на рынке производства был процессор под управлением MIPS.

     Заключение

     АЛУ в процессорах RISC архитектуры имеют  значительно упрощенную структуру  по сравнению с процессорами СISC архитектуры. Это обусловлено меньшим набором операций, которые используются в процессоре, а следовательно – аппаратно реализованных в АЛУ. Меньше набор команд – меньше элементов нужно для их реализации, меньше площадь на кристалле, также упрощается управляющий блок.

     В специализированных процессорах для  каждой конкретной задачи необходим  свой определенный набор команд, значит целесообразно использовать именно RISC архитектуру микропроцессора. Фактически для каждой задачи используется свое АЛУ со своим строго определенным набором команд, необходимых только для реализации своей задачи. Такой  подход позволяет сильно повысить быстродействие выполнения конкретных задач.

     Так как с помощью использования  специализированных RISC процессоров  можно ускорить выполнение ряда задач, в мире наблюдается тенденция  распространения использования  подобных процессоров. Можно предположить, что число задач, решаемых подобным образом будет увеличиваться, как будет увеличиваться и количество типов процессоров, предназначенных для их  решения.

     Список  использованных источников

1. 32-битные микропроцессоры и микроконтроллеры MIPS: Юкихо Фудзисава — Москва, Додэка XXI, 2009 г.- 360 с.
2. Зарубежные микропроцессоры и их аналоги. Том 1: О. В. Старостин — Санкт-Петербург, РадиоСофт, 2001 г.- 544 с.
3. Искусство программирования. Том 1. Выпуск 1. MMIX - RISC-компьютер для нового тысячелетия: Дональд Э. Кнут — Санкт-Петербург, Вильямс, 2007 г.- 160 с.
4. Каган Б.М. «Электронно-вычислительные машины и системы» Москва «Радио и связь»1991г.
5. Новиков Ю.В. , Скоробогатов П.К.  «Основы микропроцессорной техники». 2006
6. Смирнов А.Д.  «Архитектура вычислительных систем» Москва «Радио и связь» 1990 г.
7. Цилькер Б.Я., Орлов С.А.  «Организация ЭВМ и систем». Спб.: Питер 2006.