ЖУРНАЛ СТА №1/2020

П РОЦЕССОРНАЯ АРХИТЕКТУРА В ходе развития компьютерных технологий были разрабо- таны различные вычислительные системы. Многие из них за- быты, а влияние некоторых было весьма значимым. Намети- лись стратегические тенденции в развитии вычислительной техники и сформировались компьютерные архитектуры. На текущий момент существует несколько основных архитектур и значительное количество процессоров на их основе. Процессорную архитектуру можно трактовать как комби- нацию вычислительной архитектуры и её реализацию в про- цессоре (в кремнии), то есть рассматривать в аспекте про- граммирования и аппаратно-технических (и технологиче- ских) решений. Нужно отметить, что кардинальное отличие архитектур и их несовместимость обнаруживаются именно на уровне машинного кодирования или низкоуровневого про- граммирования (ассемблирования). С программной точки зрения, процессорная архитектура определяет набор регистров, команд, их структуру и способ вы- полнения, в результате чего, с одной стороны, программы, со- бранные для процессоров одной архитектуры, могут выпол- няться практически на всех процессорах одинаковой (или по- добной) архитектуры, а с другой – не смогут работать на про- цессорах иной архитектуры. Для работы на разных платформах производители программного обеспечения вынуждены выпус- кать специально скомпилированные (или портированные –пе- ренесённые) для них версии. Примером может служить опера- ционная система Ubuntu Server (ядро Linux), для которой про- изводитель, компания Canonical, кроме основной версии для архитектуры Intel x86 (AMD64), выпустила версии для архитек- тур ARM, IBMPower и s390x [1]. Также в качестве примера мож- но привести компанию Microsoft, которая изначально распро- страняла операционную систему Windows исключительно для архитектуры х86, но с недавнего времени, следуя требованиям рынка и отрасли, объявила о сотрудничестве с компанией Qualcomm [2] и выпустила версию операционной системы Windows 10, работающую на устройствах с процессорами архи- тектуры ARM (Qualcomm Snapdragon 835) [3]. Из российских ОС следует отметить многоплатформенную операционную си- стему Astra Linux Special Edition компанииАО«НПОРусБИТех», которая существует в версиях для архитектур x86-64 (релиз «Смоленск»), ARM (релиз «Новороссийск»), MIPS (релиз «Севастополь»), IBM System Z (релиз «Мурманск»), POWER (релиз «Керчь») и «Эльбрус» (релиз «Ленинград») [4]. С аппаратной точки зрения, архитектура процессора – это набор составных частей, компонентов и технологий, присущих линейке процессоров. Аппаратная часть постоянно совершен- ствуется, как по микроархитектуре, так и по технологическому процессу. Выпускаются новые поколения процессоров с целью увеличения производительности и функциональности. Так, на рынке существуют процессоры Intel нескольких поколений: Coffee Lake (восьмое поколение), Kaby Lake (седьмое поколе- ние), Skylake (шестое поколение) и другие. Несмотря на смену микроархитектуры (аппаратной части), они остаются про- граммной архитектурой x86, и на них работает всё ранее напи- санное для этой архитектуры программное обеспечение, за не- которым исключением, если разработчик ПО использовал не- документированные методы, вызовы и процедуры. Поэтому, с точки зрения практического применения про- цессоров, основной является программная архитектура. На текущий момент актуальные и распространённые архитекту- ры – это CISC, RISC, VLIW. А РХИТЕКТУРА CISC Первоначально почти все производители первых микро- процессоров использовали архитектуру с расширенным набо- ром команд – CISC (Complex Instruction Set Computer). При- чина этого в том, что разработчики пытались уменьшить так называемый семантический разрыв между тем, что компью- теры способны делать, и тем, что требуют языки программи- рования высокого уровня, пытаясь заменить одной инструк- цией многочисленные машинные коды. Также в то время на рынке коммерческих вычислений доминировали мини-ком- пьютеры PDP компании DEC и мейнфреймы компании IBM, которые были основаны на архитектуре CISC. Среди микро- процессоров типичными представителями данной архитекту- ры стали процессоры компании Intel. На начальном этапе раз- вития микропроцессоров (семидесятые годы прошлого века) были и другие процессоры подобной архитектуры производ- ства компаний Motorola, Zilog, MOS Technology и т.д. Но именно благодаря коммерческой привлекательности микро- процессоров Intel эта архитектура стала самой популярной на текущий момент и практически единственной для персональ- ных компьютеров. Даже компания Apple в своих компьютерах Apple Macintosh в итоге перешла от процессоров PowerPC к процессорам Intel. Первый процессор Intel, обозначивший начало эпохи мик- ропроцессоров, – микросхема Intel 4004 (рис. 1) – появился в 1971 году [5]. Это был первый коммерческий процессор, реа- В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Современные процессорные архитектуры Игорь Афонин, Дмитрий Кабачник СТА 1/2020 100 www.cta.ru Рис. 2. Первый 32-битный микропроцессор Intel Рис. 1. Первый микропроцессор Intel Фото с сайта Wikimedia.org Фото с сайта Wikimedia.org