Sie wollen kein Risiko eingehen? Erfahren Sie mehr über RISC-Prozessoren

RISC-Architektur: Was ist das und wie ist sie entstanden

"RISC" ist eine Abkürzung für "Reduced Instruction Set Computer", was eine Computerarchitektur mit einem begrenzten Satz von einfachen und schnellen Anweisungen für den Prozessor bezeichnet.

Sehr oft findet man in Produktkatalogen verschiedener Hersteller einen Abschnittsnamen oder eine Produktbeschreibung mit dem Hinweis "RISC-basiert". Diese Angabe bezieht sich nicht auf spezielle Funktionen oder Eigenschaften der Ausrüstung; sie verweist lediglich auf eines der wichtigsten Elemente jedes Computers, sein "rechnerisches Herz", ohne das kein Computer der Welt funktionieren kann. Durch die Angabe von "RISC" in der Beschreibung meint jeder Hersteller dasselbe – die CPU oder zentrale Verarbeitungseinheit.

Die RISC-Prozessorarchitektur hat ihren Ursprung in den mittleren 70er bis 80er Jahren. Forscher jener Zeit, insbesondere bei IBM, damals ein Gigant der IT-Industrie, stellten fest, dass die meisten Kombinationen von Befehlen und Speicheradressierungsmethoden von Compilern nicht genutzt wurden. Ein Compiler ist ein "Sammler" von Programmcode auf hoher Ebene in ein Maschinenprogramm, das ein Computer "verstehen" kann. Außerdem wurde festgestellt, dass Programme mit komplexen Anweisungen und Befehlen viel langsamer verarbeitet werden als einfache, die genau die gleichen Aufgaben ausführen. Das Hauptproblem war die allgemeine Optimierung des Prozessormikrocodes. Für die Lösung einfacher Aufgaben waren die Prozessoren jener Zeit zu komplexe Geräte mit vielen Anweisungen, von denen die Hälfte möglicherweise nie verwendet wurde. Dementsprechend beeinflusste die Verarbeitung aller Anweisungen die Gesamtleistung des Prozessors. Angesichts all dieser Nachteile der damaligen Prozessoren wurde beschlossen, eine neue Architektur zu entwickeln. Das Hauptproblem bestand darin, die Prozessoranweisungen so einfach zu gestalten, dass sie leicht und effizient in eine Pipeline gestellt werden konnten. Die Rechenpipeline (eine Technologie zur Organisation von Berechnungen in Prozessoren und Controllern) wird verwendet, um die Anzahl der pro Zeiteinheit ausgeführten Anweisungen zu erhöhen. Nach mehreren Jahren Forschung wurden Anfang der 80er Jahre mehrere Prozessortypen veröffentlicht, deren gemeinsamer Name der gesamten Architektur den Namen gab: RISC. Die neue Architektur verdankt ihre Entstehung dem amerikanischen Ingenieur David Patterson, dem Leiter des Berkeley RISC-Projekts von 1980 bis 1984. Im Rahmen dieses Projekts wurden Prozessoren einer neuen Architektur entwickelt, nämlich RISC I und RISC II.

CISC- und RISC-Prozessoren. Definierende Unterschiede, Vor- und Nachteile

Alle Prozessoren der Welt können grob in zwei Typen unterteilt werden – RISC (bereits erwähnt) und CISC. Was ist ein CISC-Prozessor? "CISC" steht für "Complex Instruction Set Computing", also eine Computerarchitektur mit einem komplexen Satz von einfachen und komplexen Anweisungen für den Prozessor.

Hauptmerkmale, die die CISC-Architektur definieren:

• Viele verschiedene Befehle mit unterschiedlicher Länge und Format, die in mehreren Zyklen der Zentralprozessor ausgeführt werden
• Gesteuert durch programmierbare Logik (Befehlscodierung)
• Überwiegende Verwendung von Zwei-Adress-Adressierung und einem entwickelten Mechanismus zur Adressierung von Operanden (Variablen, auf denen Operationen im Code ausgeführt werden)

CISC-Prozessoren sind sozusagen "klassische" Prozessoren. Sie enthalten hundertmal mehr Anweisungen als RISC-Prozessoren, verwenden mehr Adressierungsmethoden usw. An der Wende der 80er zu den 90er Jahren entbrannte weltweit ein heftiger Streit darüber, welcher Prozessor besser sei. Auf der einen Seite standen Anbieter von RISC-Prozessoren wie Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), das Bündnis von IBM und Motorola (PowerPC); auf der anderen Seite Intel und AMD. Die Lösung wurde nicht in den technischen Argumenten der Parteien gefunden, sondern im technologischen Vorteil von Intel und AMD. Aber Anfang der 2000er Jahre, mit dem Aufkommen mobiler Lösungen und dem schnellen Entwicklungssprung in diesem Technologiebereich, erhielt die RISC-Architektur neues Leben. Darüber hinaus sind in vielen modernen CISC-Prozessoren einzelne Blöcke und Befehlsmodule nichts anderes als ein RISC-Prozessor.

In diesem Artikel werden wir nicht die technischen Eigenschaften von RISC-Prozessoren im Detail betrachten, einschließlich der grundlegenden Prinzipien des Architekturaufbaus, Logikalgorithmen usw. Sie können viele verschiedene Artikel zu diesem Thema im Internet finden, wahrscheinlich in jeder größeren Sprache der Welt. Was uns jetzt interessiert, ist die Frage: "Was erhält ein gewöhnlicher Benutzer, wenn er Ausrüstung auf Basis der RISC-Prozessorarchitektur kauft?" Diese Frage wird als Hauptthese dienen, wenn wir die Vor- und Nachteile weiter analysieren.

Vorteile der RISC-Architektur

1. Der Hauptvorteil bei der Wahl von RISC-basierter Ausrüstung ist der Preis. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Befehlssätze von RISC-Prozessoren einfach sind und weniger logische Elemente zu ihrer Ausführung benötigen, was sich letztendlich auf die Kosten des Prozessors auswirkt. Außerdem erfordert die Herstellung von RISC-Prozessoren keine komplexen technologischen Prozesse (im Vergleich zu CISC-Prozessoren) und nimmt weniger Zeit in Anspruch.
2. Insgesamt höhere Prozessorleistung. Dies liegt hauptsächlich an der geringeren Anzahl von Befehlen, Formaten, Modi usw., was zu einem vereinfachten Dekodierungsschema führt, das schneller ist.
3. Unterstützung der Linux-Betriebssystemfamilie. Man kann sagen, dass RISC-basierte Hardware ideal für die Installation von Linux-Betriebssystemen ist. RISC-Prozessoren haben in den letzten Jahren einen mächtigen Entwicklungssprung gemacht, insbesondere durch die Verwendung von Open-Source-Software, die später in die Nutzung verschiedener Distributionen für unterschiedliche Aufgaben und von verschiedenen Entwicklern überging. In der Regel kann jeder Hersteller von RISC-basierter Hardware alle notwendigen Treiber bereitstellen, sogar für mehrere Distributionen. Ein SDK (Software Development Kit) kann auf Anfrage ebenfalls bereitgestellt werden.

Leider sind die Nachteile von RISC-Prozessoren eng mit ihren Vorteilen verbunden.

Nachteile der RISC-Architektur

1. Unzureichende Leistung und Funktionalität. Leider sind RISC-Prozessoren trotz ihrer Geschwindigkeit nicht wirklich für komplexe und zeitaufwändige Aufgaben ausgelegt. Ein Computer auf Basis eines RISC-Prozessors ist nicht geeignet für die Verarbeitung großer Datenmengen, komplexer grafischer Informationen, die Bereitstellung virtueller Umgebungen usw.
2. Die meiste vorhandene Software weltweit ist für Intel- und AMD-Prozessoren geschrieben, daher muss sie für die Arbeit mit der RISC-Architektur neu kompiliert oder neu geschrieben werden, was oft gewisse Schwierigkeiten schafft und manchmal eine unmögliche Aufgabe darstellt.
3. Aufgrund der reduzierten Anzahl von Anweisungen in der RISC-Architektur müssen mehrere Anweisungen (anstelle von nur einer) verwendet werden, um komplexe Funktionen auszuführen. Dies verlängert nicht nur den Programmcode, sondern erhöht auch die Menge des Datenverkehrs zwischen dem Speicher und dem Zentralprozessor. Es wurde festgestellt, dass die Codes eines Programms in der RISC-Architektur im Durchschnitt 30 % länger sind als die eines ähnlichen Programms in der CISC-Architektur.

Einige RISC-Prozessoren, die heute in der Industrie verwendet werden

Wie oben erwähnt, entwickeln sich heutzutage RISC-ähnliche Prozessoren in ihrem Marktsegment aktiv weiter. Der Großteil dieses Segments, 80 %-90 %, wird von Prozessoren für Konsumgüter eingenommen. Natürlich sind dies verschiedene Smartphones, Tablet-Computer, Spielkonsolen usw. Jedes mobile Gerät, das einen Prozessor benötigt, basiert mit 90 % Wahrscheinlichkeit auf der Rechenleistung eines RISC-ähnlichen Prozessors. Aber vielleicht haben Sie davon nicht gehört, und der Begriff "RISC-ähnlich" wirft zusätzliche Fragen auf. In diesem Artikel haben wir RISC-ähnliche Prozessoren erwähnt, also was genau sind sie? RISC-ähnliche Prozessoren sind, wie der Name schon sagt, Prozessoren, in deren Architektur die grundlegenden Ideen eingeflossen sind, die während der Entwicklung der ersten RISC-Prozessoren entstanden sind, die jedoch im Laufe der Zeit ihre einzigartigen Eigenschaften und Merkmale erworben haben und sich auf ihre eigene Weise entwickelt haben. Die Designingenieure, die diese Prozessoren entwickeln, ließen sich von den Ideen des Berkeley RISC-Projekts inspirieren. Die bekanntesten RISC-ähnlichen Prozessorarchitekturen sind ARM, MIPS, SPARC, aber natürlich gibt es auch andere, weniger verbreitete oder nur in speziellen Bereichen eingesetzte, wie SuperH (SH), PowerPC, AVR und andere. Sogar Intel und AMD entwickelten einst ihre eigene Architektur auf dem RISC-Kern – Intel P5/P6 und AMD K5/K6/K7. Es ist erwähnenswert, dass diese Unternehmen nur mit dem Design und der Lizenzierung von Mikroprozessorgeräten beschäftigt sind, aber keine eigenen Produktionsanlagen haben. Beispielsweise sind Lizenznehmer der ARM-Architektur so bekannte Weltkonzerne wie AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon und viele andere. Dementsprechend werden moderne Prozessoren wie Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 und Apple A12Z auf einem ARM-Mikroprozessor entwickelt. Die bekanntesten Hersteller, die die MIPS-Architektur in ihren Prozessoren verwenden, sind Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba und das russische Unternehmen "T-Platform", das P5600-Prozessorkerne der MIPS32 Release 5-Architektur im Baikal-T1-Prozessor einsetzt. Wie wir sehen, ist der Markt für RISC-ähnliche Prozessoren im Massenmarktsegment recht breit, und es können Lösungen gefunden werden, die jeder Aufgabe gerecht werden, aber wie sieht es mit dem Industriesegment aus?

Wichtige Merkmale von industriellen RISC-Computern

Die Entwicklung von RISC-ähnlichen Prozessoren im Industriesektor unterscheidet sich vom Massenmarkt. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Nachfrage nach Geräten mit diesem CPU-Typ nicht so groß ist. Wenn der Hersteller die Möglichkeiten hat, kann er einen fertigen Prozessorkern eines Drittanbieters in sein Gerät implementieren und dann einfach die Software dafür optimieren. Dies ist meist der Fall, und der am häufigsten verwendete Prozessor in diesem Kontext ist Cortex, ein Prozessor der ARM-Architektur vom Entwickler ARM Holdings. Ein komplizierterer Weg ist es, einen eigenen Prozessor zu haben, dessen Entwicklung vollständig vom Hersteller selbst abhängt. Einer dieser Hersteller ist DMP, das seine eigene Prozessorreihe namens Vortex86 produziert. Prozessoren der Vortex86-Serie sind sogenannte System-on-a-Chip (SoC), d. h. ein Chip, der CPU, Northbridge und Southbridge enthält.

Eine Abteilung von DMP, die Firma iCOP, entwickelt und produziert Industrieausrüstung verschiedener Formfaktoren auf Basis dieser Prozessorfamilie. Das Unternehmen bietet drei Hauptproduktlinien an, von denen jede verschiedene Optionen für Konfiguration und Funktionalität für Aufgaben jeder Komplexität umfasst.

• Eingebettete CPU-Boards und Module

  Eingebettete Boards – das Hauptelement jedes Embedded-Systems. Sie finden alle notwendigen Formfaktoren: PICO-ITX, Nano-ITX, 2,5", 3,5", 5,25", EPIC, PC/104 und viele andere.

• Industrielle Panel-PCs

  Leistungsstarke Computing-Lösungen für die Industrie mit robustem Design gemäß IP65 und IP66 sowie strapazierfähigen Frontplatten aus Aluminium oder Edelstahl.

Was sind also die Hauptvorteile von Industriecomputern auf Basis von RISC-Prozessoren? Listen wir sie auf:

• Preis. Die Kosten eines Industrie-PCs auf Basis eines RISC-Prozessors werden immer niedriger sein im Vergleich zu ähnlichen Geräten auf Basis von Intel- oder AMD-Prozessoren. Die Hauptgründe haben wir bereits genannt. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um den Massen- oder Industriesektor handelt.
• Langfristige Unterstützung und Produktion. Das bedeutet, dass der Hersteller des RISC-Prozessors nicht von den Entscheidungen globaler Konzerne und Trends im Massenmarkt abhängig ist. Der Hersteller konzentriert sich nur auf den Industriesektor und die Nachfragemengen und kann sogar den erforderlichen Produktionsrahmen für ein bestimmtes Modell berücksichtigen, wenn es nur in einem Projekt verwendet wird. Natürlich sollte es in diesem Fall ein ziemlich großes Projekt sein, aber die Entscheidung wird individuell im Kommunikationsprozess mit dem Endbenutzer getroffen. Die Unterstützungs- und Produktionszeit eines Prozessors beträgt typischerweise 15-20 Jahre.
• Extrem niedrige Betriebstemperaturen. Dies ist einer der Hauptvorteile von RISC-Prozessoren in der Industrie: Aufgrund ihrer Architektur, des niedrigen Wärmeabgangs und ausreichender Leistung ermöglicht RISC-basierte Ausrüstung den Betrieb bei Minustemperaturen.
• Freiheit in der Softwareentwicklung mit Unterstützung des Prozessorherstellers. Hersteller von RISC-Prozessoren stellen Treiber und SDKs (Software Development Kits) für mehrere Linux-Distributionen bereit. Außerdem können Sie plattformübergreifende Software auf Linux in fast jeder Programmiersprache erstellen, von Java und Python bis hin zu C++.
• Flexible Konfiguration und Entwicklung von schlüsselfertigen Lösungen. Man könnte sogar sagen, dass dies das Hauptinteresse der Hersteller von RISC-ähnlichen Prozessoren ist: nicht Standardlösungen anzubieten, sondern einzigartige und oft speziell für bestimmte Bedürfnisse entwickelte. Selbst auf Basis eines beliebigen Standard-Boards basierend auf dem Vortex86-Prozessor kann der Hersteller eine einzigartige Lösung mit allen notwendigen Funktionen für einen spezifischen Kunden erstellen.

Wichtige Merkmale von industriellen RISC-Computern

Seit ihrer ersten Erscheinung bis heute hat die Evolution der RISC-Prozessoren einen riesigen Sprung nach vorne gemacht, und das Potenzial für ihre weitere Entwicklung ist immer noch sehr groß. Es scheint wenig Zeit vergangen zu sein seit dem Auftauchen hochspezialisierter Prozessoren im Rahmen geschlossener wissenschaftlicher Programme bis hin zur grundlegenden Rechenbasis von Millionen von Geräten auf der ganzen Welt, aber dieser Zeitraum zeigt deutlich, wie brillant das ingenieurtechnische Denken war, mit seinem anschließenden enormen Einfluss auf die Entwicklung der gesamten IT-Industrie.