Nie chcesz zaRISCować? Dowiedz się więcej o procesorach zaprojektowanych w oparciu o architekturę RISC

Czym jest architektura RISC? Krótka historia

Skrót RISC pochodzi od angielskiego – reduced instruction set computer, co można przetłumaczyć jak „komputer ze zredukowanym (ograniczonym) zestawem instrukcji”.

Bardzo często w katalogach produkcji różnych producentów można znaleźć nazwę rozdziału lub opis towaru ze wskazówką „oparty o architekturę RISC”. Ta adnotacja nie dotyczy opisu żadnych szczególnych funkcji ani charakterystyk urządzenia. Jest ona związana wyłącznie z jednym z najważniejszych elementów każdego komputera, jego „serca obliczeniowego”, bez którego nie może funkcjonować żaden komputer na świecie. Wskazując RISC, producent ma na myśli tylko jedno – procesor.

Początek architektury procesorów RISC sięga połowy lat 70.-80. Badacze z tamtych lat, szczególnie przedstawiciele giganta branży IT IBM, wyjaśnili, że większość kombinacji poleceń i bezpośrednich metod adresowania nie miała zastosowania w używanych wówczas kompilatorach, („kolektory” programowego kodu źródłowego wysokiego szczebla do programu w języku maszynowym „zrozumiałego” dla komputera). Oprócz tego stwierdzono, że programy, realizujące zestaw instrukcji aktualnych procesów, często przetwarzają skomplikowane operacje znacznie wolniej niż proste, wykonując te same działania. Główny problem tkwił w ogólnej optymalizacji mikrokodu procesora. Aby rozwiązać proste zadania, ówczesne procesory były urządzeniami nader skomplikowanymi, zawierającymi w sobie dużą ilość instrukcji, których nawet połowa mogła być nieuruchamiana. W związku z tym przetwarzanie wszystkich instrukcji miało wpływ na ogólną wydajność procesora. Uwzględniając wszystkie minusy procesorów z tamtego okresu, zdecydowano o opracowaniu nowej architektury. Głównym celem jest zrobienie na tyle prostych instrukcji procesora, aby miało miejsce ich łatwe i skuteczne przetwarzanie potokowe (technologia organizacji obliczeń w procesorach i kontrolerach). Po kilku latach badań, na początku lat 80., wyprodukowano kilka rodzajów procesorów, których ogólna nazwa stała się nazwą całej architektury – RISC. Swoje powstanie nowa architektura zawdzięcza amerykańskiemu inżynierowi Davidowi Pattersonowi, kierownikowi projektu Berkeley RISC w latach 1980-1984. W ramach tego projektu opracowano pierwsze procesory mające nową architekturę – RISC I i RISC II.

Procesory CISC i RISC. Charakterystyczne różnice, zalety i wady

Wszystkie procesory na świecie umownie można podzielić na dwa typy – RISC, o nim już była mowa, i CISC. Czym właśnie jest procesor CISC? Skrót CISC pochodzi od angielskiego – complete instruction set computing, co można przetłumaczyć jak „pełny zestaw poleceń (instrukcji)”.

Główne właściwości, określające architekturę CISC:

• duża ilość różnych pod względem długości i formatu poleceń, wykonywanych podczas kilku taktów centralnego procesora
• sterowanie za pomocą programowanej logiki (kodowanie instrukcji)
• przewaga adresowania dwuadresowego i rozbudowany mechanizm adresowania argumentów (zmienna, na której przeprowadzane są operacje w kodzie)

Procesory CISC to tak zwane procesory „klasyczne”. Zawierają one w setki raz więcej poleceń niż architektura RISC, wykorzystują więcej sposobów adresowania itd. Na przełomie lat 80. i 90. na świecie wybuchł prawdziwy „gorący spór” o to, który procesor jest lepszy? Po jednej stronie barykad są producenci procesorów RISC — Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), sojusz IBM i Motorola (PowerPC), po drugiej zaś– Intel i AMD. Rozwiązanie tymczasem zostało znalezione nie w argumentach technicznych stron, lecz w przewadze technologicznej Intel i AMD. Jednak na początku lat 2000., od momentu pojawienia się rozwiązań mobilnych i gwałtownego skoku w rozwoju tego segmentu technologii, architektura RISC znalazła nowe życie. Ponadto w wielu współczesnych procesorach CISC poszczególne bloki i moduły instrukcji są niczym innym jak procesorami RISC.

W tej części nie będziemy szczegółowo rozpatrywać charakterystyk technicznych procesorów RISC, podstawowych zasad konstrukcji architektury, algorytmów logicznych itp. Na ten temat można znaleźć wiele różnych artykułów w Internecie, zarówno w języku angielskim, jak i w segmencie rosyjskojęzycznym. Nas głównie interesuje kwestia – „Co zyska użytkownik, nabywając urządzenia skonstruowanego w oparciu o architekturę RISC?”. Właśnie ta kwestia będzie stanowić główną tezę w dalszym rozpatrzeniu zalet i wad.

Zalety

1. Główną i, zapewne, podstawową zaletą przy wyborze urządzenia na bazie procesora RISC jest cena. Jest to związane przede wszystkim z tym że zestawy instrukcji procesorów RISC są proste, a zatem do ich wykonania potrzebna jest mniejsza liczba elementów logicznych, co w rezultacie ma wpływ na końcową cenę procesora. Poza tym produkcja procesorów RISC nie wymaga skomplikowanych procesów technologicznych w porównaniu z CISC i zajmuje znacznie mniej czasu.
2. Ogólna szybkość pracy procesora. Jest to związane przede wszystkim z niewielką liczbą poleceń, formatów, trybów itd., co prowadzi do uproszczenia schematu dekodowania, które dzięki temu trwa krócej.
3. Wykorzystanie rodziny systemów operacyjnych Linux. Można powiedzieć, że urządzenia na bazie procesorów RISC są idealne do instalacji systemów operacyjnych Linux. Potężny postęp w rozwoju procesorów typu RISC, zwłaszcza w ciągu ostatnich kilku lat, nastąpił dzięki wykorzystaniu oprogramowania open source, które później zostało poszerzone o użycie różnych zestawów dystrybucyjnych do różnych zadań i dostarczonych przez różnych projektantów. Z reguły każdy producent urządzeń opartych o procesory RISC może przedłożyć wszystkie niezbędne sterowniki, nawet dla kilku zestawów dystrybucyjnych. Na życzenie możliwa jest również dostawa zestawu SDK (software development kit).

Niestety, wady procesorów RISC są ściśle związane z ich zaletami.

Wady

1. Niewystarczająca wydajność i funkcjonalność. Niestety, tak, mimo swojej szybkości pracy, procesory RISC nie są przeznaczone do wykonania skomplikowanych i pracochłonnych zadań. Do przetwarzania dużych masywów danych, skomplikowanych informacji graficznych, rozwoju środowisk wirtualnych itd. urządzenia na bazie procesorów RISC nie nadają się.
2. Większa część oprogramowania jest obecnie napisana dla procesorów Intel i AMD, w związku z tym, aby działało ono z architekturą RISC, powinno być przekompilowane lub przepisane, co często stwarza pewne trudności, a niekiedy jest po prostu zadaniem niemożliwym do wykonania.
3. Zmniejszona liczba poleceń w architekturze RISC stwarza sytuację, w której na wykonanie kilku funkcji konieczne jest użycie kilku poleceń, zamiast jednego w architekturze CISC. Co nie tylko wydłuża kod programu, lecz również zwiększa przekaz danych instrukcji między pamięcią a centralnym procesorem. Przeprowadzone badania potwierdziły, że średnia długość kodu programu w architekturze RISC jest o 30 % większa, niż analogicznego programu w CISC.

Podstawowe procesory RISC. Co jest stosowane w przemyśle?

Jak już wspomniano powyżej, obecnie procesory typu RISC aktywnie rozwijają się w swoim segmencie rynku. Większą część tego segmentu, 80-90 %, zajmują procesory przeznaczone dla artykułów powszechnego użytku. Są to oczywiście różne smartfony, tablety, konsole do gier itd. Wszystkie urządzenia mobilne, dla których niezbędny jest procesor, z prawdopodobieństwem 90 % są zbudowane na mocy obliczeniowej procesora typu RISC. Możliwe, że nawet o tym nie słyszałeś, ale samo określenie „typu RISC” również budzi pewne kontrowersje. W tym artykule wielokrotnie była mowa o procesorach typu RISC, czym one są? Procesory typu RISC to procesory, których baza architektury zawiera podstawowe idee, powstałe podczas opracowywania pierwszych procesorów RISC, ale później uzyskiwały one swoje unikalne właściwości, cechy, i ich rozwój znalazł swoją własną drogę. Inżynierowie konstruktorzy tych procesorów czerpali inspirację właśnie z idei projektu „Berkeley RISC”. Najbardziej znane architektury procesorów typu RISC to ARM, MIPS, SPARK. Są oczywiście również inne, mniej rozpowszechnione lub używane tylko w wyspecjalizowanych dziedzinach, jak np. – SuperH (SH), PowerPC, AVR i inne. Nawet Intel i AMD opracowały kiedyś własną architekturę na bazie rdzenia RISC – Intel P5/P6 i AMD K5/K6/K7. Jednak warto powiedzieć o ciekawym fakcie, otóż firmy te zajmują się tylko projektowaniem i licencjonowaniem urządzeń mikroprocesorowych, ale nie posiadają własnych mocy produkcyjnych. Na przykład, licencjobiorcami architektury ARM są tacy znani światowi producenci, jak AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon i wielu innych. Dlatego też takie nowoczesne procesory, jak Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 i Apple A12Z zostały opracowane na mikroprocesorze ARM. Najbardziej znani producenci, używający w swoich procesorach architektury MIPS, to Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba oraz rosyjska firma T-Platforma, która korzysta z rdzeni procesora P5600 o architekturze MIPS32 Release 5 w procesorze Baikal-T1. Jak widać, rynek procesorów typu RISC w segmencie masowym jest dość szeroki i można znaleźć rozwiązania, odpowiednie do każdego zadania, ale jak wygląda sytuacja w segmencie przemysłowym?

Właściwości komputerów przemysłowych RISC

Rozwój procesorów typu RISC w przemyśle różni się od rynku masowego. Przede wszystkim jest to związane z niezbyt dużym zapotrzebowaniem na urządzenia z procesorami danego typu. Jeśli producent ma możliwości, wtedy może zastosować w swoim urządzeniu gotowy już rdzeń procesora wyprodukowany przez obcego producenta, a następnie po prostu dokonać optymalizacji oprogramowania dla niego. Najczęściej tak właśnie bywa, a najbardziej rozprzestrzenionym do zastosowania w takiej roli jest procesor Cortex, który jest procesorem z architekturą ARM opracowanym przez ARM Holdings. Trudniejsza jest droga do uzyskania własnego procesora, którego opracowanie i rozwój całkowicie zależy od samego producenta. Jednym z takich producentów jest firma DMP, która produkuje własną linię procesorów występującą pod nazwą Vortex86. Procesory z serii Vortex86 to procesory tak zwane „system na chipie” (od. System-on-a-Chip, SoC), tj. jeden chip zawierający CPU, North Bridge i South Bridge.

Na bazie danej rodziny procesorów jednostka producenta DMP, firma iCOP, opracowuje i produkuje urządzenia przemysłowe z różnymi współczynnikami kształtu. Firma wytwarza trzy główne linie, z których każda zawiera różne warianty konfiguracji i funkcjonalności dla zadań o dowolnej złożoności.

Jakie są więc główne zalety komputerów przemysłowych na bazie procesorów RISC? Wymienimy poszczególne punkty:

• Cena. Cena przemysłowych urządzeń obliczeniowych, których podstawą jest procesor typu RISC, zawsze będzie niższa w porównaniu z analogicznymi urządzeniami na bazie procesorów Intel lub AMD. Główne argumenty zostały przytoczone przez nas wcześniej. W danym przypadku nie ma zależności, czy jest to segment masowy, czy przemysłowy.
• Długi poziom wsparcia. Oznacza to, że producent procesora typu RISC nie jest zależny od decyzji korporacji światowych ani trendów rynku masowego. Producent zorientowany jest wyłącznie na segment przemysłowy i może nawet kierować się niezbędnymi ramami produkcji tego lub innego modelu procesora, w warunkach zastosowania wyłącznie tylko w jednym projekcie. Tak, w takim przypadku powinien to być dość duży projekt, ale decyzja podejmowana jest indywidualnie w trakcie negocjacji z końcowym użytkownikiem. Okres takiego wsparcia może trwać do 15-20 lat.
• Możliwość kontynuowania pracy w ekstremalnie niskich temperaturach. Jest to jedna z głównych zalet procesorów typu RISC w przemyśle. Dzięki swojej wystarczającej wydajności, małemu wydzielaniu ciepła i architekturze urządzenia na bazie procesorów typu RISC są prostsze w obsłudze i przystosowaniu do pracy w niskich temperaturach ujemnych.
• Swoboda przy opracowaniu oprogramowania przy wsparciu producenta procesora. Jeśli planowane jest zastosowanie systemu operacyjnego na bazie dowolnego zestawu dystrybucyjnego Linux, wtedy dostosowanie oprogramowania do procesora typu RISC jest znacznie łatwiejsze dzięki prostym zestawom instrukcji, których wykonanie odbywa się wystarczająco szybko. Uzupełnia tę zaletę możliwość tworzenia programów dla Linux w prawie każdym języku programowania, od Java i Python do C++.
• Elastyczna konfiguracja i opracowanie rozwiązań pod klucz. Można powiedzieć, że producenci procesorów typu RISC są zainteresowani głównie w oferowaniu rozwiązań nie standardowych, lecz unikalnych i często opracowywanych specjalnie i dostosowanych do specyficznych potrzeb. Nawet na bazie jakiejkolwiek typowej płyty, której podstawę stanowi procesor Vortex86, producent gotów jest stworzyć urządzenie, wykonujące te funkcje, które są niezbędne dla zleceniodawcy.

Właściwości komputerów przemysłowych RISC

Od momentu swojego pojawienia się do dnia dzisiejszego ewolucja procesorów RISC dokonała gigantycznego skoku naprzód, a potencjał ich dalszego rozwoju nadal jest bardzo i bardzo duży. Wydawać się może, że od pojawienia się wąsko wyspecjalizowanych procesorów w ramach zamkniętych programów naukowych do bazowej podstawy obliczeniowej milionów urządzeń na całym świecie minęło bardzo mało czasu, jednak ten okres wyraźnie odzwierciedla, na ile genialna była myśl inżynierska oraz jej późniejszy ogromny wpływ na rozwój całej branży IT.