Petr Toufar
xtoufar1@fi.muni.cz

Historie RISC procesorů

Co je to RISC architektura?

RISC je architektura mikroprocesorů, která používá "omezenou" sadu instrukcí. Vychází ze statistických výzkumů, kdy se zjistilo, že 80% kódu programu využívá pouze 20% instrukcí CISC procesorů. Toto vedlo k tvorbě procesorů s omezenou instrukční sadou. Tyto procesory mají tyto společné rysy:

Všechny instrukce mají jednu pevně danou délku
Tato délka je většinou 4 byte
Instrukce se většinou vykoná v 1 hodinovém cyklu
Žádná instrukce neprovádí zaráz aritmetickou operaci a práci s pamětí (přičti a ulož do paměti atd.)
Nemají žádnou formu nepřímého adresování paměti
Žádná instrukce neadresuje více než 1 paměťové místo
Velký počet registrů

Tyto vlastnosti umožňují optimalizovat architekturu mikroprocesoru a také překladače, takže pak dochází k větší paralelizaci instrukcí než u CISC procesorů.

Výhody a nevýhody

Zde bych rád uvedl několik základních výhod a nevýhod RISC architektury:
Výhody:

RISC procesory jsou rychlejší (při srovnatelném kmitočtu)
Jednodušší hardware
Rychlejší návrh procesoru
Nižší náklady na vývoj a výrobu

Nevýhody:

Programy pro RISC jsou delší a komplexnější, než pro CISC
Programátoři musejí dávat pozor, aby procesor často nečekal dlouho na dokončení instrukce
Vyžaduje velmi rychlé paměti pro rychlé načítání instrukcí

Počátek vývoje

Koncept RISC procesorů byl poprvé vyvinut Johnem Cockem z IBM Research v roce 1974. Právě jeho práce poprvé poukázala na to, že programy využívají v drtivé většině kódu jen omezenou sadu instrukcí. Procesor, který by byl vyvinut na tomto základě, by mohl podporovat pouze několik instrukcí, čímž by mohl mít méně tranzistorů a tedy tím by byl i levnější. Taktéž by vzhledem k menšímu počtu tranzistorů a instrukcí mohl dokončit práci mnohem rychleji. Termín RISC (zkratka pro Reduced Instruction Set Computer) byla vytvořena Davidem Pattersonem, učitelem na Berkeley, University of California.
Aby prokázál realizovatelnost své myšlenky, vytvořil v roce 1975 John Cocke prototyp prvního RISCového procesoru nazvaného 801. Tento procesor se nikdy komerčně neprodával. První "řádný" RISCový procesor byly procesory RISC 1 a RISC 2 vytvořené univerzitou v Berkeley v roce 1985. Z těchto procesorů se později vyvinula architektura SPARC.
RISCové procesory se prosadily hlavně ve velmi výkoných pracovních a grafických stanicích a serverech - hlavně procesory SPARC, Digital Alpha a SGI MIPS. Vyjímku tvoří procesory Motorola 68000 (resp. dnes IBM/Motorola PowerPC, G3 a G4), které jsou dnes díky počítačům Apple Macintosh po Intelu 2. nejrozšířenější procesory na světě.

Nejdůležitější RISC procesory

SPARC

V roce 1981 začali pracovat profesoři Patterson a Sequin z Berkeley univerzity na procesoru RISC I. Tento procesor vedl až k uvedení procesoru SPARC v roce 1987. Tento čip se stal "korunní" platformou hlavně pro Sun a jeho implementaci UNIXu - Solaris. SPARC není vyráběn jednou firmou (jako třeba Motorola 6800), ale je pouze navrhován Sunem a zadáván různým výrobcům. Z toho plyne rozdílné značení jednotlivých procesorů - SuperSPARC, HyperSPARC, TurboSPARC atd. Procesory SPARC, jak již název napovídá (Scalable Processor ARChitecture) je primárně určen do výkoných stanic a serverů s plnou podporou multiprocessingu.
Procesory SPARC jsou odlišné od většiny ostatních procesorů tím, že je netvoří jeden "všemocný" procesor, ale vzhledem k historickým důvodům jsou tvořeny několika čipy, z nichž každý provádí určité operace (např. UltraSPARC je tvořen z integer unit, coprocessor a floating point unit). Toto uspořádání má několik výhod (jednotlivé čipy obsahují méně tranzistorů, takže jsou levnější, spolehlivější a snazší pro návrh), ale i nevýhod (problémy s rychlostí komunikace mezi jednotlivými čipy, zajištění konzistence paměti a cache).
Dnešní procesory UltraSPARC jsou plně 64 bitové procesory, které určené do velmi výkoných síťových stanic a serverů s velkým počtem (až několik desítek) procesorů.

Řada Motorola 6800

Tento procesor z roku 1974 byl první z rodiny 6800, která je v podstatě až dodnes základem počítačů Apple Macintosh. Obsahoval 4000 tranzistorů a některé zajímavé vlastnosti - zatímco u procesorů Intel byly odlišné operace pro práci s pamětí (MOV) a I/O zařízeními (IN,OUT), tak Motorola 6800 mapovala I/O rozhraní do paměti a používala pro práci s nimi standardní operaci MOV.
Tento procesor měl 8 bitovou datovou sběrnici a pouze dva 8 bitové registry (A a B) a 16 bitový indexový registr (X). Byl používán hlavně v jednoúčelových aplikacích.
V roce 1979 představila Morotola 16-bitovou verzi tohoto procesoru označenou 68000. Obsahovala 32 bitovou instrukční sadu, 16 bitovou datovou a 24 bitovou adresovou sběrnici. Tento procesor byl využíván v prvních verzí UNIXu a byl použit Apple pro počítač Lisa a později Macintosh. Jeho nová generace se jmenuje PowerPC a byl to první mikroprocesor, který implementoval vykonávání instrukcí mimo pořadi (out of order execution).

Budoucnost

Dnes se rozdíl mezi RISC a CISC procesory začíná ztrácet. První náznak RISCové technoloie se objevil u procesorů Intel v roce 1989 u procesoru 80486, jehož FPU obsahovala hodně "natvrdo" vložené instrukční logiky (hard-wired instruction logic) a pipelining. Další výrobci, jako např. Cyrix, implementovali pipelining pro urychlení zpracování instrukcí. Procesor M1 také obsahoval velký počet (32) registrů k volnému využití a za pomocí technologie dynamického pojmenovávání registrů emulovat standardních 8 registrů.
V dnes běžně používaných procesorech Intel Pentium IV a AMD Athlon je implementováno ještě více know-how z oblasti RISC procesorů - např. vykonávaní instrukcí mimo pořadí (out-of-order execution), předpověď větvení (branch prediction), on-chip cache pracující na frekvenci procesoru, extrémně rychlé instrukce, zvětšená hloubka pipeline atd.
V budoucnu můžeme očekávat, že architektury RISC a CISC budou čím dál tím více splývat a nové procesory budou brát to nejlepší z obou "světů", aby dosáhly většího výkonu - a o výkon zde jde především.