RISC-архитектура и микропроцессоры ARM¶

RISC (сокр. от англ. Reduced Instruction Set Computer — «компьютер с сокращённым набором команд») — архитектура процессоров, основанная на принципе упрощения машинных команд и выполнении их за один такт процессора. Противопоставляется архитектуре CISC (Complex Instruction Set Computer), в которой команды имеют переменную длину и сложность, а их выполнение может занимать несколько тактов. RISC-архитектура лежит в основе большинства современных мобильных процессоров, в том числе чипов Apple A/M, Qualcomm Snapdragon, Samsung Exynos и ряда российских разработок.

¶История

Идея RISC возникла в конце 1970-х годов в нескольких исследовательских центрах одновременно. Ключевыми ранними проектами считаются IBM 801 (ИБМ, 1979), проект VAX-команда Berkeley RISC (Калифорнийский университет в Беркли, 1980) и Stanford MIPS (1981). Исследователи заметили, что в реальных программах используется лишь небольшая часть команд сложных процессоров, причём простые команды выполняются чаще и быстрее. На этом основании был сделан вывод: упрощённый набор команд, жёстко фиксированной длины, позволяет увеличить частоту процессора и упростить конвейер обработки.

В 1985 году вышел процессор ARM1 — первый чип британской компании Acorn Computers, разработанный по RISC-принципам. Название ARM первоначально расшифровывалось как Acorn RISC Machine, позже — как Advanced RISC Machines. Этот процессор стал основой для всей последующей линейки ARM, которая к началу 2020-х годов доминирует в мобильных устройствах.

¶Принципы RISC

Ключевые отличия RISC от CISC:

• Малое число команд. Набор команд упрощён, сложные операции разлагаются на несколько простых.
• Фиксированная длина команд. Обычно все команды имеют одинаковый размер (например, 32 бита в классических RISC), что упрощает декодирование.
• Адресация только регистров. Арифметические и логические операции выполняются над регистрами, доступ к памяти — только через отдельные команды загрузки и сохранения (load/store-архитектура).
• Один такт на команду. Большинство простых команд выполняется за один цикл процессора.
• Конвейеризация. Единообразие команд позволяет строить длинный конвейер обработки, что повышает производительность.
• Оптимизация под компилятор. RISC рассчитан на то, что эффективный код генерирует оптимизирующий компилятор, а не программист вручную.

¶Основные RISC-архитектуры

¶RISC-V

RISC-V (читается «риск-файв») — открытая бесплатная RISC-архитектура, разработанная в Калифорнийском университете в Беркли в 2010 году. В отличие от ARM, лицензирование RISC-V не требует платежей за патенты, что делает его привлекательным для исследовательских и промышленных проектов. В России RISC-V рассматривается как одна из возможных основ для отечественных процессоров в условиях санкционных ограничений на западные технологии.

¶RISC в России

Российские процессоры на RISC-подобных архитектурах разрабатываются с 1990-х годов. Среди известных проектов:

• Эльбрус (Elbrus) — архитектура VLIW с элементами RISC, разрабатывается компанией «Электроника НИИ Микроэлектроники» (г. Москва, вход в «Росэлектронику»). Процессоры Elbrus-2S+, Elbrus-4C, Elbrus-8C, Elbrus-16C и Elbrus-23 используются в серверах, рабочих станциях и во встроенных системах.
• Байкал — семейство процессоров компании «Байкал Электроникс», построенных на лицензированных MIPS-ядрах (RISC-архитектура). Чипы Байкал-М (Т4), Байкал-Л (Т1) применялись в роутерах и встраиваемых системах.
• Р2000 (ЭКСКЛЮЗИВ) — процессоры на базе MIPS64, разработанные в «Специальном центре России» (Санкт-Петербург).

¶Критика и современное состояние

В 1990-е годы шли споры о том, какая архитектура — RISC или CISC — превосходит друг друга. К 2000-м годам различие во многом стёрлось: процессоры Intel и AMD используют сложные команды CISC на входе, но внутри раскладывают их на простые RISC-подобные операции. Тем не менее именно RISC-принципы оказались более эффективными для мобильных и встраиваемых систем, где важны энергопотребление и теплоотдача. К началу 2020-х годов процессоры ARM используются в подавляющем большинстве смартфонов и планшетов, а с переходом Apple на собственные чипы M (на базе ARM) — и в настольных компьютерах.

¶Примечания

Термин «рис» в поисковых запросах часто является сокращением от RISC или от названия архитектуры ARM (ранее — Acorn RISC Machine), а не обозначением крупы.

Источники:

• Patterson D. A., Hennessy J. L. Computer Organization and Design: RISC Edition.
• Материалы Arm Ltd. об истории архитектуры ARM.
• Официальная документация RISC-V Foundation.
• Сайт компании «Электроника НИИ Микроэлектроники» (Elbrus).