Различия между Гарвардской и Принстонской архитектурами

Основные различия архитектур CISC и RISC

Архитектуры процессоров

В настоящее время существует множество RISС (Reduced Instruct Set Computers — компьютеры с сокращенной системой команд) процессоров, так как сложилось мнение, что RISC быстрее, чем CISC (Complex Instructions Set Computes – компьютеры со сложной системой команд) процессоры. Такое мнение не со­всем верно. Имеется много процессоров называемых RISC, но на самом деле относящихся к CISC. Более того, в некоторых приложениях CISC-процессоры выполняют программный код быстрее, чем это делают RISC-процессоры, или решают такие задачи, которые RISC-процессоры не могут выполнить.

Каково истинное различие между RISC и CISC? CISC-процессоры выполняют большой набор команд с развитыми возможностями адресации (непосред­ственная, индексная и т.д.), давая разработчику возможность выбрать наиболее подходящую команду для выполнения необходимой операции. В RISC-процессорах набор выполняемых команд сокращен до минимума. При этом разработчик должен комбинировать команды, чтобы реализовать более сложные операции.

Возможность равноправного использования всех регистров процессора на­зывается «ортогональностью» или «симметричностью» процессора. Это обес­печивает дополнительную гибкость при выполнении некоторых операций. Рас­смотрим, например, выполнение условных переходов в программе. В CISC-процессорах условный переход обычно реализуется в соответствии с определенным значением бита (флага) в регистре состояния. В RISC-процессорах условный переход может происходить при определенном значении бита, который находится в любом месте памяти. Это значительно упрощает опера­ции с флагами и выполнение программ, использующих эти флаги.

Успех при использовании RISC-процессоров обеспечивается благодаря тому, что их более простые команды требуют для выполнения значительно меньшее число машинных циклов. Таким образом, достигается существенное повышение производительности, что позволяет RISC-процессорам эффек­тивно решать чрезвычайно сложные задачи.

Много лет назад правительство Соединенных Штатов дало задание Гарвард­скому и Принстонскому университетам разработать архитектуру компьютера для военно-морской артиллерии. Принстонский университет разработал ком­пьютер, который имел общую память для хранения программ и данных. Та­кая архитектура компьютеров больше известна как архитектура Фон-Нейма­на по имени научного руководителя этой разработки (рис. 1.3).

В этой архитектуре блок интерфейса с памятью выполняет арбитраж запро­сов к памяти, обеспечивая выборку команд, чтение и запись данных, размеща­емых в памяти или внутренних регистрах. Может показаться, что блок интер­фейса является наиболее узким местом между процессором и памятью, так как одновременно с данными требуется выбирать из памяти очередную команду. Однако во многих процессорах с Принстонской архитектурой эта проблема ре­шается путем выборки следующей команды во время выполнения предыдущей. Такая операция называется предварительной выборкой («предвыборка»), и она реализуется в большинстве процессоров с такой архитектурой.

Рис. 1.3 Структура компьютера с Принстонской архитектурой

Гарвардский университет представил разработку компьютера, в котором для хранения программ, данных и стека использовались отдельные банки па­мяти (рис. 1.4).

Рис. 1.4 Структура компьютера с Гарвардской архитектурой

Принстонская архитектура выиграла соревнование, так как она больше соответствовала уровню технологии того времени. Использование обшей па­мяти оказалось более предпочтительным из-за ненадежности ламповой элек­троники (это было до широкого распространения транзисторов) — при этом возникало меньше отказов.

Гарвардская архитектура почти не использовалась до конца 70-х годов, когда производители микроконтроллеров поняли, что эта архитектура дает преимущества устройствам, которые они разрабатывали.

Основным преимуществом архитектуры Фон Неймана является то, что она упрощает устройство микропроцессора, так как реализует обращение только к одной обшей памяти. Для микропроцессоров самым важным являет­ся то, что содержимое ОЗУ (RAM — Random Access Memory) может быть использовано как для хранения данных, так и для хранения программ. В не­которых приложениях программе необходимо иметь доступ к содержимому стека. Все это предоставляет большую гибкость для разработчика программ­ного обеспечения, прежде всего в области операционных систем реального времени.

Гарвардская архитектура выполняет команды за меньшее количество так­тов, чем архитектура Фон Неймана. Это обусловлено тем, что в Гарвардской архитектуре больше возможностей для реализации параллельных операций. Выборка следующей команды может происходить одновременно с выполне­нием предыдущей команды, и нет необходимости останавливать процессор на время выборки команды.

Например, если процессору с Принстонской архитектурой необходимо считать байт и поместить его в аккумулятор, то в первом цикле из памяти выбира­ется команда, в следующем цикле данные, которые должны быть помещены в аккумулятор, считываются из памяти.

В Гарвардской архитектуре, обеспечивающей более высокую степень па­раллелизма операций, выполнение текущей операции может совмещаться с выборкой следующей команды. Команда также выполняется за два цикла, но выборка очередной команды производится одновременно с вы­полнением предыдущей. Таким образом, команда выполняется всего за один цикл (во время чтения следующей команды).

Этот метод реализации операций («параллелизм») позволяет командам вы­полняться за одинаковое число тактов, что дает возможность более просто опре­делить время выполнения циклов и критических участков программы. Это обсто­ятельство является особенно важным при выборе микроконтроллера для приложений, где требуется строгое обеспечение заданного времени выполнения.

Различные архитектуры и устройства имеют свои специфические особенности, которые позволяют наилучшим образом реализовать те или иные приложения. В некоторых случаях конкретное прило­жение может быть выполнено только с использованием определенной архи­тектуры и специфических особенностей микроконтроллера.

Глава 2

Дата добавления: 2015-07-13