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

Die RISC-Architektur: Was ist sie und wie ist sie entstanden?

"RISC" ist eine Abkürzung für "Reduced Instruction Set Computer" (Computer mit reduziertem Instruktionssatz), eine Computerarchitektur mit einem begrenzten Satz einfacher und schneller Befehle für den Prozessor.

Sehr oft findet man in Produktkatalogen verschiedener Hersteller einen Abschnittsnamen oder eine Produktbeschreibung, die als "RISC-basiert" gekennzeichnet ist. Diese Aussage bezieht sich nicht auf die Beschreibung irgendwelcher speziellen Funktionen oder Eigenschaften des Gerätes; sie bezieht sich auf eines der wichtigsten Elemente eines jeden Computers, sein "Rechenherz", ohne das kein Computer auf der Welt arbeiten kann. Durch die Angabe von "RISC" in der Beschreibung meint jeder Hersteller dasselbe - den internen Aufbau der CPU oder Zentraleinheit.

Die "RISC"-Prozessorarchitektur hat ihren Ursprung in der Mitte der 70er bis 80er Jahre. Entwickler dieser Zeit, insbesondere bei IBM, dem damaligen Giganten der IT-Industrie, stellten fest, dass die meisten Kombinationen von Befehlen und Speicheradressierungsmethoden von den Compilern nicht verwendet wurden. Ein Compiler ist ein hochrangiger "Übersetzer" von Programmcode einer höheren Programmiersprache in ein maschinensprachliches Programm, das ein Computer "verstehen" kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Programme mit komplexen Anweisungen und Befehlen viel langsamer verarbeitet werden als einfache Programme, die genau dieselben Aufgaben ausführen. Das Hauptproblem war die Gesamtoptimierung des Mikrocodes des Prozessors. Für die Lösung einfacher Aufgaben waren die damaligen Prozessoren zu komplex, da sie viele Befehle enthielten, von denen die Hälfte möglicherweise überhaupt nie benutzt werden würde. Dementsprechend wirkte sich die Verarbeitung aller Befehle auf die Gesamtleistung des Prozessors aus. Unter Berücksichtigung aller Nachteile der damaligen Prozessoren wurde beschlossen, eine neue Architektur zu entwickeln. Das Hauptproblem bestand darin, die Prozessorbefehle so einfach zu gestalten, dass sie leicht und effizient über Pipelines verarbeitet werden konnten. Die Compute-Pipeline (eine Technologie zur Organisation von Berechnungen in Prozessoren und Controllern) wird in Prozessoren verwendet, um die Anzahl der pro Zeiteinheit ausgeführten Befehle zu erhöhen. Nach mehreren Jahren der Forschung wurden Anfang der 80er Jahre mehrere Arten von Prozessoren auf den Markt gebracht, deren gemeinsamer Name der gesamten Architektur den Namen gab: RISC. Die neue Architektur verdankt ihre Entstehung dem amerikanischen Ingenieur David Patterson, dem RISC-Projektleiter in Berkeley von 1980 bis 1984. Im Rahmen dieses Projekts wurden Prozessoren einer neuen Architektur entwickelt, nämlich RISC I und RISC II.

CISC- und RISC-Prozessoren. Definition von Unterschieden, Vor- und Nachteilen

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

Hauptmerkmale, die die CISC-Architektur definieren:

• viele verschiedene Befehle, die sich in Länge und Format unterscheiden und in mehreren Zyklen des Zentralprozessors ausgeführt werden
• kontrolliert durch programmierbare Logik (Befehlscodierung)
• die Vorherrschaft der Zwei-Adress-Adressierung und ein entwickelter Mechanismus zur Adressierung von Operanden (eine Variable, auf der Operationen im Code ausgeführt werden)

CISC-Prozessoren sind sozusagen "klassische" Prozessoren. Sie enthalten hundertmal mehr Befehle als RISC-Prozessoren, verwenden mehr Adressierungsmethoden usw. An der Wende der 80er und 90er Jahre brach in der Welt ein heißer Streit darüber aus, welcher Prozessor der bessere ist. Auf der einen Seite gibt es solche Anbieter von RISC-Prozessoren wie Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), die Allianz 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 Vorsprung von Intel und AMD. Doch Anfang der 2000er Jahre, mit dem Aufkommen mobiler Lösungen und dem rasanten Entwicklungssprung in diesem Technologiesegment, erwachte die RISC-Architektur zu neuem 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 im Detail auf die technischen Eigenschaften von RISC-Prozessoren eingehen, wie der Grundprinzipien der Prozessorarchitektur, der Logik-Algorithmen usw. Sie können eine Menge verschiedener Artikel zu diesem Thema im Internet finden. Was uns jetzt interessiert, ist die Frage: "Welche Vorteile wird ein normaler Benutzer durch den Kauf von Geräten erhalten, die auf der RISC-Prozessorarchitektur basieren?

Vorteile der RISC-Architektur

1. Der Hauptvorteil bei der Wahl einer RISC-basierten Ausrüstung ist der Preis. Dies ist in erster Linie darauf zurückzuführen, dass die Befehlssätze von RISC-Prozessoren einfach sind und weniger logische Elemente zu ihrer Ausführung benötigen, was sich letztlich auf die Kosten des Prozessors auswirkt. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von RISC-Prozessoren keine komplexen technologischen Prozesse (im Vergleich zu CISC-Prozessoren) und nimmt weniger Zeit in Anspruch.
2. Insgesamt höhere Prozessorgeschwindigkeit. Dies ist in erster Linie auf eine geringere Anzahl von Befehlen, Formaten, Modi usw. zurückzuführen, was zu einem vereinfachten Dekodierungsschema führt.
3. Die UNIX/Linux-Betriebssystemfamilie wird unterstützt. Wir können sagen, dass RISC-basierte Hardware ideal für die Installation von Linux-Betriebssystemen ist. RISC-Prozessoren haben vor allem in den letzten Jahren dank der Verwendung von Open-Source-Software einen gewaltigen Entwicklungssprung gemacht, der sich später auf die Verwendung verschiedener Distributionen für verschiedene Aufgaben und von verschiedenen Entwicklern ausweitete. In der Regel kann jeder Hersteller von RISC-basierter Hardware alle notwendigen Treiber, auch für mehrere Distributionen, zur Verfügung stellen. Auf Anfrage kann auch ein SDK (Software Development Kit)-Satz zur Verfügung gestellt werden.

Leider stehen die Nachteile von RISC-Prozessoren in engem Zusammenhang mit ihren Vorteilen.

Nachteile der RISC-Architektur

1. Unzureichender Leistungsumfang und Funktionalität. Leider sind RISC-Prozessoren trotz ihrer Geschwindigkeit nicht wirklich für komplexe und zeitraubende Aufgaben ausgelegt. Ein Computer, der auf einem RISC-Prozessor basiert, ist nicht geeignet für die Verarbeitung großer Datenmengen, komplexer grafischer Informationen, den Einsatz virtueller Umgebungen usw.
2. Die meiste existierende Software auf der Welt ist für Intel- und AMD-Prozessoren geschrieben. Um mit der RISC-Architektur arbeiten zu können, muss sie daher neu kompiliert oder neu geschrieben werden, was oft gewisse Schwierigkeiten bereitet und sich manchmal als eine unmögliche Aufgabe erweist.
3. Aufgrund der reduzierten Anzahl von Befehlen in der RISC-Architektur müssen Sie mehrere Befehle (statt nur einem) verwenden, um komplexe Funktionen auszuführen. Dadurch wird nicht nur der Programmcode verlängert, sondern auch der Datenverkehr zwischen dem Speicher und dem Zentralprozessor erhöht. Es hat sich gezeigt, dass die Codelänge eines Programms in der RISC-Architektur im Durchschnitt 30% länger ist als die eines ähnlichen Programms in der CISC-Architektur.

Ein einfaches Vergleichsbeispiel zwischen einem CISC-Code und einem RISC-Code: Multiplizieren Sie den Wert in Speicherstelle X mit dem Wert in Speicherstelle Y; speichern Sie das Ergebnis zurück in Speicherstelle X. Die Register A und B sind verfügbar.

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

Wie bereits erwähnt, erfahren heutzutage RISC-ähnliche Prozessoren eine aktive Entwicklung in ihrem Marktsegment. Der größte Teil dieses Segments, 80% -90%, wird von Prozessoren für Konsumgüter besetzt. Dies sind in erster Linie verschiedene Smartphones, Tablet-Computer, Spielkonsolen usw. Jedes mobile Gerät, das einen Prozessor benötigt, ist zu 90%iger Wahrscheinlichkeit auf der Rechenleistung eines RISC-ähnlichen Prozessors aufgebaut. RISC-ähnliche Prozessoren sind, wie der Name schon sagt, Prozessoren, deren Architektur auf den Grundideen der ersten RISC-Prozessoren beruhen, die jedoch im Laufe der Zeit ihre einzigartigen Eigenschaften und Merkmale erhielten und sich auf ihre eigene Art und Weise entwickelten. Die Konstrukteure, die diese Prozessoren entwickelten, ließen sich von den Ideen des Berkeley-RISC-Projekts inspirieren. Die bekanntesten RISC-ähnlichen Prozessorarchitekturen sind ARM, MIPS, SPARK, aber natürlich gibt es auch andere, die weniger verbreitet sind oder nur in spezialisierten Bereichen verwendet werden, wie z.B. SuperH (SH), PowerPC, AVR und andere. Sogar Intel und AMD haben einmal ihre eigene Architektur auf dem RISC-Kern entwickelt - Intel P5/P6 und AMD K5/K6/K7. Es ist erwähnenswert, dass sich diese Firmen nur mit dem Design und der Lizenzierung von Mikroprozessorgeräten beschäftigen, aber keine eigenen Produktionsstätten haben. Die Lizenznehmer der ARM-Architektur sind zum Beispiel so bekannte Hersteller wie AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon und viele andere. Dementsprechend werden solche modernen Prozessoren wie Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 und Apple A12Z auf Basis eines ARM-Mikroprozessors entwickelt. Die bekanntesten Hersteller, die die MIPS-Architektur in ihren Prozessoren verwenden, sind Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba und die russische Firma "T-Platform", die P5600 Prozessorkerne der MIPS32 Release 5-Architektur im Baikal-T1-Prozessor verwendet. Man sieht, dass der Markt für RISC-ähnliche Prozessoren im Massensegment recht breit gefächert ist, und es lassen sich Lösungen finden, die jeder Aufgabe gerecht werden.

Wichtige Merkmale von industriellen RISC-Computern

Die Entwicklung von RISC-ähnlichen Prozessoren im Industriesektor unterscheidet sich vom Massenmarkt. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass die Nachfrage nach Geräten mit diesem CPU-Typ nicht so groß ist. Wenn der Hersteller über entsprechende Fähigkeiten verfügt, kann er einen fertigen Prozessorkern von einem Drittentwickler in sein Gerät implementieren und dann einfach die Software dafür optimieren. Dies ist meistens der Fall, und der gebräuchlichste Prozessor für die Verwendung in diesem Zusammenhang ist Cortex, ein Prozessor mit ARM-Architektur des Entwicklers ARM Holdings. Ein komplizierterer Weg ist es, einen eigenen Prozessor zu haben, dessen Entwicklung und Ausbau vollständig vom Hersteller selbst abhängt. Einer dieser Hersteller ist DMP, der eine eigene Prozessorlinie namens Vortex86 herstellt. Prozessoren der Vortex86-Serie sind sogenannte System-on-a-Chip (SoC) Architekturen, d.h. ein Chip einschließlich CPU, North Bridge und South Bridge.

Die Firma ICOP, eine Abteilung von DMP, entwickelt und fertigt auf der Grundlage dieser Prozessorfamilie Industriegeräte in verschiedenen Formfaktoren. Das Unternehmen bietet drei Hauptproduktlinien an, die jeweils verschiedene Konfigurations- und Funktionsoptionen für Aufgaben beliebiger Komplexität umfassen.

Was sind nun die Hauptvorteile von Industriecomputern, die auf RISC-Prozessoren basieren?

• Preis. Die Kosten eines Industrie-PCs auf der Basis eines RISC-Prozessors werden im Vergleich zu ähnlichen Geräten auf der Basis von Intel- oder AMD-Prozessoren immer niedriger sein. Hier gibt es keinen Unterschied, ob es sich um ein Massenprodukt oder einen Industrie-PC handelt.
• Langfristige Unterstützung und Produktion. Dies bedeutet, dass der Hersteller des RISC-Prozessors nicht von den Entscheidungen globaler Konzerne und Trends im Massenmarkt abhängig ist. Der Hersteller schaut nur auf das industrielle Segment und das Nachfragevolumen und kann sogar den notwendigen Produktionsrahmen für ein bestimmtes Modell ändern wenn es nur in einem Projekt angewendet wird. Ja, natürlich, in diesem Fall sollte es sich um ein ziemlich großes Projekt handeln, aber die Entscheidung wird individuell im Prozess der Kommunikation mit dem Endbenutzer getroffen. Der Unterstützungs- und Produktionszeitraum eines solchenProzessors beträgt in der Regel 15-20 Jahre.
• Extrem niedrige Betriebstemperaturen. Dies ist einer der Hauptvorteile von RISC-Prozessoren in der Industrie: Aufgrund ihrer Architektur, der geringen Wärmeerzeugung und der für viele Anwendungen ausreichenden Leistung ermöglichen RISC-basierte Geräte den Betrieb in einem weiten Umgebungstemperaturbereich.
• Freiheit bei der Software-Entwicklung mit Unterstützung des Prozessorherstellers. Die Hersteller von RISC-Prozessoren stellen Treiber und SDK (Software Development Kits) für verschiedene Linux-Distributionen zur Verfügung. Darüber hinaus können Sie plattformübergreifende Software unter Linux in fast jeder Programmiersprache erstellen, von Java und Python bis C ++.
• Flexible Konfiguration und Entwicklung von “schlüsselfertigen” Lösungen. Man kann sogar sagen, dass dies das Hauptinteresse der Hersteller von RISC-ähnlichen Prozessoren ist: keine Standardlösungen anzubieten, sondern einzigartige und oft speziell für einige spezielle Bedürfnisse entwickelte Lösungen. Selbst auf der Basis z.B. eines beliebigen Standard-Boards, das auf dem Vortex86-Prozessor basiert, kann der Hersteller eine einzigartige Lösung mit allen notwendigen Funktionen für einen bestimmten Kunden erschaffen.

Wichtige Merkmale der RISC-Industriecomputer

Vom Moment ihres ersten Erscheinens bis zum heutigen Tag hat die Entwicklung der RISC-Prozessoren einen riesigen Sprung nach vorn gemacht, und das Potenzial für ihre weitere Entwicklung ist immer noch sehr, sehr groß. Es scheint nur sehr wenig Zeit vergangen zu sein, seit die hochspezialisierten Prozessoren im Rahmen geschlossener wissenschaftlicher Programme zur grundlegenden Rechenbasis von Millionen von Geräten auf der ganzen Welt geworden sind, aber dies zeigt deutlich, wie brillant der ingenieurwissenschaftlicher Gedanke war, der in der Folge enorme Auswirkungen auf die Entwicklung der gesamten IT-Industrie hatte.