Способ которым функциональность процессора реализована аппаратно

Основные архитектуры процессоров

Понятие архитектуры процессора не имеет единого толкования, поскольку под ним понимаются две различные сущности. С программной позиции она представляет собой совместимость процессора с конкретным набором команд, его способность выполнять определённый набор кодов. То есть это способность программы, которая была собрана для архитектуры семейства x86, функционировать на всех x86-совместимых системах. На ARM системе такая программа работать не будет.

С аппаратной позиции архитектура процессора, называемая иногда микроархитектурой, является набором свойств, характерным для всего семейства процессоров и отражающим базовые особенности его внутренней организации. К примеру, микроархитектура процессоров Intel Pentium имела обозначение Р5, а процессоры Pentium 4 относились к NetBurst. После закрытия Intel микроархитектуры Р5 для производителей AMD разработала архитектуру К7 и К8 для процессоров Athlon, Athlon XP и Athlon 64 соответственно.

CISC

CISC-архитектура (Complex Instruction Set Computer) относится к процессорам с полным набором команд. Она имеет нефиксированную длину команд, отличается кодированием арифметических действий в единой команде и малым количеством регистров, большинство из которых выполняет только выделенную функцию.

CISC реализована во множестве типов микропроцессоров, таких как Pentium, которые выполняют большое количество разноформатных команд (порядка 200-300), применяя более десяти различных способов адресации. Командная система может включать несколько сотен команд различного уровня сложности или формата (от 1 до 15 байт).

Всё это делает возможным реализовывать эффективные алгоритмы для различных задач. В качестве примеров CISC-архитектуры, используемой преимущественно для десктопных версий, можно привести следующие процессоры:

• x86 (IA-32, сокращенное от «Intel Architecture, 32-bit») — ;
• x86_64 (AMD64);
• Motorola MC680x0;
• мейнфреймы zSeries.

В CISC-процессорах каждую из команд возможно заменить на аналогичную ей либо на группу выполняющих такую же функцию команд. Это формирует как достоинства, так и недостатки архитектуры: она обладает высокой производительностью благодаря возможности замены команд, но большей стоимостью в сравнении с RISC, что связано с усложнённой архитектурой, в которой существует множество сложных для раскодирования команд.

RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) относится к процессорам с сокращённым набором команд. В ней быстродействие увеличивается посредством упрощения инструкций: за счёт того, что их декодирование становится проще, уменьшается время исполнения. Изначально RISC-процессоры не обладали инструкциями деления и умножения и не могли работать с числами, имеющими плавающую запятую. Их появление связано с тем, что в CISC достаточно много способов адресации и команд использовались крайне редко.

Система команд в RISC состоит из малого числа часто применяемых команд одного формата, которые можно выполнить за единичный такт центрального процессора. Более сложные и редко применяемые команды выполняются на программном уровне. При этом, благодаря значительному увеличению скорости реализации команд, средняя производительность RISC-процессоров выше, чем у CISC.

Современные RISC-процессоры выполняют порядка сотни команд с закреплённым форматом длиной 4 байта, используя небольшое количество простых способов адресации (индексную, регистровую и другие). Чтобы сократить число обращений к внешней оперативной памяти, в RISC применяются сотни регистров общего назначения (РОН), в то время как в CISC их всего 8-16. В RISC-процессорах обращение к памяти используется только при загрузке данных в РОН либо пересылке результатов в память.

Благодаря сокращению аппаратных средств, используемых для декодирования и реализации сложных команд, достигается значительное упрощение и снижение стоимости интегральных схем. В то же время возрастает производительность и снижается энергопотребление, что особенно актуально для мобильного сегмента. Эти же достоинства служат причиной использования во многих современных CISC-процессорах, например в последних моделях К7 и Pentium, RISC-ядра. Сложные CISC-команды заранее преобразуются в набор простых RISC-операций, которые оперативно выполняются RISC-ядром.

Характерными примерами RISC-архитектур являются:

• PowerPC;
• DEC Alpha;
• ARC;
• AMD Am29000;
• серия архитектур ARM;
• Atmel AVR;
• Intel i860 и i960;
• BlackFin;
• MIPS;
• PA-RISC;
• Motorola 88000;
• SuperH;
• RISC-V;
• SPARC.

RISC быстрее CISC, и даже при условии выполнения системой RISC четырёх или пяти команд вместо единственной, выполняемой CISC, RISC выигрывает в скорости, поскольку его команды выполняются в разы оперативнее. Однако CISC продолжает использоваться. Это связано с совместимостью: x86_64 продолжает лидировать в десктоп-сегменте, а поскольку старые программы могут функционировать только на x86, то и новые десктоп-системы должны быть x86(_64), чтобы дать возможность старым программам работать на новых устройствах.

Для Open Source это не проблема, ведь пользователь может найти в сети версию программы, подходящую для другой архитектуры. Однако создать версию проприетарной программы для другой архитектуры получится только у владельца исходного кода.

MISC

MISC-архитектура (Minimal Instruction Set Computer) является процессором с минимальным набором команд. Она отличается ещё большей простотой и используется для ещё большего снижения энергопотребления и итоговой стоимости процессора. MISC-архитектура применяется в IoT-сегменте и компьютерах малой стоимости вроде роутеров. Первой вариацией такого процессора стал MuP21.

В основе MISC-процессоров лежит укладка ряда команд в единое большое слово, что позволяет параллельно обрабатывать несколько потоков данных. MISC применяет стековую модель устройства и базовые слова языка Forth. Процессоры этой архитектуры отличаются малым числом наиболее востребованных команд и использованием длинных командных слов, что позволяет получить выполнение ряда непротиворечивых команд за единый цикл работы процессора. Порядок исполнения команд определяется так, чтобы максимально загрузить маршруты, пропускающие потоки данных.

Все вышеназванные архитектуры могут применять «спекулятивное исполнение команд», то есть исполнение команды заранее, когда ещё неизвестна её необходимость. Это позволяет увеличить производительность.

VLIW

VLIW-архитектура (Very Long Instruction Word) относится к микропроцессорам, применяющим очень длинные команды за счёт наличия нескольких вычислительных устройств. В отдельных полях команды присутствуют коды, которые обеспечивают реализацию различных операций. Одна команда в VLIW может исполнить одновременно несколько операций в разных узлах микропроцессора. Формированием таких длинных команд занимается соответствующий компилятор во время трансляции программ, которые написаны на высокоуровневом языке.

VLIW-архитектура, являясь достаточно перспективной для разработки нового поколения высокопроизводительных процессоров, реализована в некоторых современных микропроцессорах:

• Intel Itanium;
• AMD/ATI Radeon (с R600 до Northern Islands);
• серия «Эльбрус».

VLIW схожа с архитектурой CISC, имея собственный аналог спекулятивной реализации команд. Однако спекуляция выполняется не при работе программы, а при компиляции, что делает VLIW-процессоры устойчивыми к уязвимостям Spectre и Meltdown. Компиляторы в этой архитектуре привязаны к определённым процессорам. Так, в следующем поколении наибольшая длина одной команды может из 256 бит превратиться в 512 бит, и тогда придётся выбирать между обратной совместимостью со старым типом процессора и возрастанием производительности посредством компиляции под новый процессор. И в этом случае Open Sourсe даёт возможность получить программу под определённый процессор при помощи перекомпиляции.

Развитием указанных архитектур стали различные гибридные архитектуры. К примеру, современные x86_64 процессоры CISC-совместимы, однако имеют RISC-ядро. В этих CISC-процессорах CISC-инструкции переводятся в набор RISC-команд. Вероятно, в дальнейшем разнообразие гибридных архитектур только возрастёт.

Источник

Собственная платформа. Часть 0.1 Теория. Немного о процессорах

Здравствуй, мир! Сегодня у нас серия статьей для людей со средними знаниями о работе процессора в которой мы будем разбираться с процессорными архитектурами (у меня спелл чекер ругается на слово Архитектурами/Архитектур, надеюсь я пишу слово правильно), создавать собственную архитектуру процессора и многое другое.

Принимаются любые замечания!

Немного про архитектуру процессора

Исторически сложилось, что существуют много процессоров и много архитектур. Но многие архитектуры имеют схожести. Специально для этого появились «Группы» архитектур типа RISC, CISC, MISC, OISC (URISC). Кроме того они могут иметь разные архитектуры адресации памяти (фон Неймана, Гарвард). У каждого процессора есть своя архитектура. Например большинство современных архитектур это RISC (ARM, MIPS, OpenRISC, RISC-V, AVR, PIC** и т.д.), но есть архитектуры которые выиграли просто за счет других факторов (Например удобство/цена/популярность/etc) Среди которых x86, x86-64 (Стоит отметить, что x86-64 и x86 в последних процессорах используют микрокод и внутри них стоит RISC ядро), M68K. В чем же их отличие?

Reduced Instruction Set Computer — Архитектура с уменьшенным временем выполнения инструкций (из расшифровка RISC можно подумать, что это уменьшенное количество инструкций, но это не так). Данное направления развилось в итоге после того, как оказалось, что большинство компиляторов того времени не использовали все инструкции и разработчики процессоров решили получить больше производительности использую Конвейеры. В целом RISC является золотой серединой между всеми архитектурами.

Яркие примеры данной архитектуры: ARM, MIPS, OpenRISC, RISC-V

Что такое TTA? ТТА это Архитектура на основе всего одной инструкции перемещения из одного адреса памяти в другую. Данный вариант усложняет работу компилятора зато дает большую производительность. У данной архитектуры есть единственный недостаток: Сильная зависимость от шины данных. Именно это и стало причиной ее меньшей популярности. Надо отметить что TTA является разновидностью OISC.

Яркие примеры: MOVE Project

OISC (URISC)?

One Instruction Set Computer — Архитектура с единственной инструкцией. Например SUBLEQ. Такие архитектуры часто имеют вид: Сделать действие и в зависимости от результата сделать прыжок или продолжить исполнение. Зачастую ее реализация достаточно простая, производительность маленькая, при этом снова ограничение шиной данных.

Яркие примеры: BitBitJump, ByteByteJump, SUBLEQ тысячи их!

CISC — Complex Instruction Set Computer — ее особенность в увеличенных количествах действий за инструкцию. Таким образом можно было теоретически увеличить производительность программ за счет увеличения сложности компилятора. Но по факту у CISC плохо были реализованы некоторые инструкции т.к. они редко использовались, и повышение производительности не было достигнуто. Особенностью этой группы является еще ОГРОМНАЯ Разница между архитектурами. И несмотря на названия были архитектуры с маленьким количеством инструкций.

Яркие примеры: x86, M68K

Адресация памяти

Архитектура фон Неймана

Особенностью таких архитектур была общая шина данных и инструкций. Большинство современных архитектур это программный фон Нейман, однако никто не запрещает делать аппаратный Гарвард. У данной архитектуры большим недостатком является большое зависимости производительности процессора от шины. (Что ограничивает общую производительность процессора).

Архитектура гарварда

Особенность этой архитектуры является отдельная шина данных и инструкций. Дает большую производительность чем фон Нейман за счет возможности за один такт использовать обе шины (читать из шины инструкций и одновременно записывать в шинну данных), но осложняет архитектуру и имеет некоторые ограничения. В основном используется в микроконтроллерах.

Особенности процессоров

Конвейеры

Что такое конвейеры? Если сказать очень глупым языком это несколько параллельных действий за один такт. Это очень грубо, но при этом отображает суть. Конвейеры за счет усложнения архитектуры позволяют поднять производительность. Например конвейер позволяет прочитать инструкцию, исполнить предыдущую и записать в шину данных одновременно.

На картинке более понятно, не правда?

IF — получение инструкции,
ID — расшифровка инструкции,
EX — выполнение,
MEM — доступ к памяти,
WB — запись в регистр.

Вроде все просто? А вот и нет! Проблема в том что например прыжок (jmp/branch/etc) заставляют конвейер начать исполнение (получение след. инструкции) заново таким образом вызывая задержку в 2-4 такта перед исполнение следующей инструкции.

Расширение существующих архитектур

Достаточно популярной техникой является добавление в уже существующую архитектуру больше инструкций через расширения. Ярким примером является SSE под x86. Этим же грешит ARM и MIPS и практически все. Почему? Потому что нельзя создать унивирсальную архитектуру.

Другим вариантом является использование других архитектур для уменьшения размера инструкций.
Яркий пример: ARM со своим Thumb, MIPS с MIPS16.

Техники применяемые в GPU

В видеокартах часто встречается много ядер и из-за этой особенности появилась потребность в дополнительных решениях. Если конвейеры можно встретить даже в микроконтроллерах то решения используемых в GPU встречаются редко. Например Masked Execution (Встречается в инструкциях ARM, но не в Thumb-I/II). Еще есть другие особенность: это уклон в сторону Floating Number (Числа с плавающей запятой), Уменьшение производительности в противовес большего количества ядер и т.д.

Masked Execution

Данный режим отличается от классических тем, что инструкции исполняются последовательно без использования прыжков. В инструкции хранится некоторое количество информации о том при каких условия эта инструкция будет исполнена и если условие не соблюдено то инструкция пропускается.

Ответ прост! Что бы не нагружать шину инструкций. Например в видеокартах можно загрузить тысячи ядер одной инструкцией. А если бы использовалась система прыжков то пришлось бы для каждого ядра ждать инструкцию из медленной памяти. Кеш частично решает проблему, но все еще не решает проблему полностью.

Прочее

Здесь мы будем описывать несколько техник используемых в центральный процессорах и микроконтроллерах.

Прерывания

Прерывания это техника при которой исполняемый в данный момент код приостанавливается для выполнения какой-то другой задачи при каких-то условиях. Например при доступе в несуществующий участок памяти вызывается HardFault или MemoryFault прерывания или исключения. Или например если таймер отсчитал до нуля. Это позволяет не бездействовать пока нужно ждать какое-то событие.

Какие недостатки? Вызов прерывания это несколько тактов простоя и несколько при возврате из прерывания. Так же несколько инструкций в начале кода будет занято инструкциями для Таблицы прерываний.

Exception (исключения)

Но кроме прерываний еще существуют исключений которые возникают например при деления на ноль. Зачастую его совмещают с прерываниями и системными вызовами, как например в MIPS. Исключения не всегда присутствуют в процессоре например как в AVR или младших PIC

Системные вызовы

Системные вызовы используется в Операционных системах для того, чтобы программы могли общаться с операционной системой например просить ОС прочитать файл. Очень похоже на прерывания. Аналогично исключениям не всегда присутствуют в процессоре

Контроллеры доступа в память и прочие методы сдерживания программ

Здесь описываются методы запрета доступа приложений к аппаратуре напрямую.

Привилегированный режим

Это режим в котором стартует процессор. В таком режиме программа или ОС имеют полный доступ к памяти в обход MMU/MPU. Все программы запускаются в непривилегированном режиме во избежания прямого доступа к аппаратным подсистемам программ для этого не предназначенных. Например вредоносным программам. В Windows ее часто называют Ring-0, а в *nix — системным. Не стоит путать Привелигированный пользователь и Привилегированный режим ибо в руте вы все еще не можете иметь прямой доступ к аппаратуре (можно загрузить системный модуль который позволит это сделать, но об этом чуть позже 🙂

MPU и MMU

MPU и MMU используется в современных системах чтобы изолировать несколько приложений. НО если MMU позволяет «передвинуть» память то MPU позволяет только блокировать доступ к памяти/запуск кода в памяти.

PIC (PIE)

Что такое PIE? (PIC не использую для избежания путаницы с МК PIC). PIE это техника благодаря которой компилятор генерирует код который будет работать в любом месте в памяти. Эта техника в совмещении с MPU позволяет компилировать высокие языки программирования которые будут работать и с MPU.

Популярная техника SIMD используется для того, что бы за один такт выполнять несколько действий над несколькими регистрами. Иногда бывают в качестве дополнений к основной архитектуре, например, как в MIPS, ARM со своими NEON/VFP/etc, x86 со своим SSE2.

Reposition for Optimization

Это техника Используется для оптимизации кода, генерируемого компилятором, с помощью пересортировки инструкций, увеличивая производительность процессора. Это позволяет использовать конвейер на полную.

Status register

Что такое регистр статуса? Это регистр который хранит состояние процессора. Например находится ли процессор в привилегированном режиме, чем закончилась операция последнего сравнения.

Используется в связке с Masked Execution. Некоторые разработчики специально исключают регистр статуса ибо он может являться узким местом как поступили в MIPS.

mov vs $0 reg

В MIPS нет отдельной инструкции загрузки константы в память, но есть инструкция addi и ori которая позволяет в связке с нулевым регистром ($0) эмулировать работу загрузки константы в регистр. В других архитектурах она присутствует. Я затронул эту тему, потому что она пригодиться нам в статьях с практикой.

Rd, Rs vs Rd, rs, rt

Идут множество споров насчет того сколько должно быть операндов в арифметических инструкциях. Например в MIPS используется вариант с 3-мя регистрами. 2 операнда, 1 регистр записи. С другой стороны, использование двух операндов позволяет сократить код за счет уменьшения размера инструкции. Пример совмещения является MIPS16 в MIPS и Thumb-I в ARM. В плане производительности они практически идентичны (Если исключать размер инструкции как фактор).

Endianness

Порядок байт. Возможно вам знакомы Выражения Big-Endian и Little-Endian. Они описывают порядок байт в инструкциях/в регистрах/в памяти/etc. Здесь думаю все просто :). Есть процессоры которые совмещают режимы, как MIPS, или которые используют одну систему команд, но имеют разный порядок байт, например ARM.

Битность процессора

Итак, что такое битность процессора? Многие считают, что это битность шины данных, но это не так. Почему? В ранние переоды микроконтроллеров и микропроцессоров шина могла быть, например, 4-х битной, но передавала пакетами по 8 бит. Для программы казалось, что это 8-и битный режим, но это была иллюзия, как и сейчас. Например, в ARM SoC-ах часто применяют 128-и битную шину данных или инструкций.

Сопроцессоры

Что такое сопроцессоры? Сопроцессоры являются элементами процессора или внешней микросхемой. Они позволяют исполнять инструкции, которые слишком громоздки для основной части процессора. Как яркий пример, сопроцессоры в MIPS для деления и умножения. Или например 387 для 80386, который добавлял поддержку чисел с плавающей запятой. А в MIPS сопроцессоров было много и они выполняли свои роли: контролировали прерывания, исключения и системные вызовы. Часто сопроцессоры имеют собственные инструкции и на системах, где этих инструкций нет, (пример ARM) эмулируют ее через Trap-ы (ловушки?). Несмотря на костыльность и маленькую производительность, они часто являются единственным выбором в микроконтроллерах.

Атомарность операций

Атомартность операций обеспечивает потоко-независимое исполнение за счет инструкций, которые выполняют несколько действий за один псевдотакт.

Вариант другого решения атомарность переферии. Например для установки ножки в STM32 в высокое и низкое состояние используется разные регистры, что позволяет иметь атомарность на уровне переферии.

Вы, навярняка, слышали о L1, L2, L3 и регистрах. Если коротко, процессор анализирует часть кода, чтобы предугадать прыжки и доступ в память и зараннее просит кеш получить эти данные из памяти. Кеш зачастую бывает прозрачным для программы, но бывают и исключения из этого правила. Например, в программных ядрах в ПЛИС используется програмный кеш.

И вы кончено слышали о такой вещи, как Cache Miss или промах по кешу. Это операция которая не была предусмотрена процессорам или процессор не успел закешировать эту часть памяти. Что достаточно часто является проблемой замедления доступа к памяти. Промах проходит незаметно для программы, но не останутся незаметными просадки в производительности.Так же переключения контекстов например при прерываниях тоже заставляет страдать кеш ибо небольшой код сбивает конвейер и кеш для собственных нужд.

Shadow Registers

В современных процессорах часто используется техника теневых регистров. Они позволяют переключаться между прерываниями и пользовательским кодом практически без задержек связанных с сохранением регистров.

Stack

Стек? Я видел Стек в .NET и в Java! Что же, Вы частично правы. Стек существует, но он никогда не был апаратным в большинства процессорах. Например в MIPS его по просту нет. Спросите КАК ТАК ТО?! Ответ прост. Стек это просто доступ к памяти которую не нужно резервировать (очень грубое определение). Стек используется для вызова функций, передачи аргументов, сохранения регистров для того чтобы востановить их после выполнения функции и т.д.

Спросите тогда что такое куча (Heap)? Куча это память размером намного больше чем стек (Стек обычно

1MB). В хипе храниться все глобальное. Например все указатели полученные с помощю Malloc указывают на часть куча. А указатели хранятся в стеке или в регистрах. С помощью инструкций загрузки данных относительно регистра можно ускорить работу стека и других доступов к памяти по типу стека, поскольку не нужно постоянно использовать операции PUSH/POP, INC/DEC или ADDI, SUBI (добавить константу), чтобы получить данные глубже по стеку, а можно просто использовать доступ относительно стека с отрицательным смещением.

Регистры

Не буду описывать регистры слишком подробно. Это мы затронем в практической статье.

В x86 регистров достаточно мало. В MIPS используется увеличенное количество регистров, а именно 31 ($0 имеет значение всегда равное нулю). В процессоре университета Беркли использовались регистровые окна, которые жестки ограничивали вложенность функций, при этом имея лучшую производительность. В других же, таких как AVR, ограничили использование регистров. Для примера: три 16-битных можно трактовать как шесть восьмибитных, где первые 16ть недоступны при некоторых операциях. Я считаю, что лучший метод был выбран MIPS-ом. Это мое сугубо личное мнение.

Выравнивание

Что такое выравнивание? Оставлю-ка я этот вопрос вам 🙂

Конец

Это конец первой главы нулевой части. Вся серия будет крутиться вокруг темы создания собственного процессора. Собственной операционной системы. Собственного ассемблера. Собственного компилятора и много чего другого.

Нулевые части будут посвящены теории. Я сомневаюсь что доведу всю серию до победного конца, но попытка не пытка! )

Источник