RISC Mimarisi , Azaltılmış Komut Seti Hesaplaması, geleneksel Karmaşık Komut Seti Hesaplamasına (CISC) kıyasla daha basit bir komut kümesini savunan bir CPU tasarım felsefesidir. RISC’NİN arkasındaki temel fikir, talimatları basitleştirerek talimatları daha yüksek bir hızda yürütmek ve her talimatın tek bir saat döngüsünde yürütülmesine izin vermektir. Amaç, talimat karmaşıklığını en aza indiren verimli donanım tasarımı ve yazılımı aracılığıyla performansı optimize etmektir. RISC, akıllı telefonlarda, sunucularda ve gömülü sistemlerde kullanılanlar da dahil olmak üzere modern mikroişlemciler için temel bir mimaridir.
RISC Mimarisi
Rısc’nin Kökenleri
RISC konsepti, 1980’lerde, o zamanlar işlemciler için baskın tasarım felsefesi olan cısc’ye bir alternatif olarak ortaya çıktı. Intel’in x86 mimarisi gibi CISC işlemciler çok çeşitli karmaşık talimatlar kullanırken, RISC tasarımları basitliğe odaklanır. Bu fikir, IBM ve Stanford Üniversitesi gibi şirketlerde ve üniversitelerde yapılan araştırmalarla popüler hale getirildi ve ticari olarak başarılı ilk RISC işlemcilerinin geliştirilmesine yol açtı.
RISC Mimarisinin Temel Özellikleri
Basitleştirilmiş Komut Seti:
RISC mimarisinin ayırt edici özelliği, küçük, son derece optimize edilmiş bir talimatlar kümesidir. Çok döngülü karmaşık talimatlar kullanabilen cısc’nin aksine (örneğin, bellekten veri yükleme, aritmetik gerçekleştirme ve sonuçları tek bir talimatta saklama), RISC talimatları basittir ve tipik olarak tek bir saat döngüsünde yürütülür.
RISC talimatları tek tip boyuttadır, genellikle 32 bittir. Bu düzenlilik, komut kod çözme ve boru hattını basitleştirmeyi kolaylaştırır.
Mimariyi Yükle / Sakla:
RISC işlemcileri bir yükleme / depolama modelini benimser, bu da verilerin yalnızca kayıtlar aracılığıyla manipüle edilebileceği anlamına gelir. Tüm bellek erişimleri, özel yükleme ve saklama talimatları kullanılarak gerçekleştirilir. Aritmetik işlemler yalnızca kayıtlar arasında gerçekleştirilir ve işlenenler bu işlemler sırasında hiçbir zaman bellekten alınmaz.
Veri hareketi ve veri manipülasyonunun bu şekilde ayrılması, işlemcinin verimliliğini optimize eder ve cpu’nun boru hattına aktarılmasını kolaylaştırır.
Kayıt Tabanlı İşlemler:
RISC mimarileri büyük ölçüde geniş bir genel amaçlı kayıt kümesine (GPRs) dayanır. İşlemci, hesaplamaların ara sonuçlarını depolamak için bu kayıtları kullanır ve sık sık daha yavaş belleğe erişme ihtiyacını azaltır.
RISC işlemcilerindeki yazmaçların sayısı tipik olarak daha az yazmaç kullanan ancak daha karmaşık adresleme modlarına dayanan CISC işlemcilerdekinden daha fazladır.
Boru hattı:
Boru hattı, birden fazla talimat aşamasının (getirme, kod çözme, yürütme vb.) Olduğu bir tekniktir.) üst üste bindirilir. RISC mimarileri, çoğu talimatın tek bir döngüde yürütülebildiği boru hattını kolaylaştırmak için tasarlanmıştır.
RISC yönergeleri tekdüze ve basit olduğundan, işlemci önemli gecikmeler olmadan talimatları aynı anda alabilir, kodunu çözebilir ve yürütebilir ve bu da daha hızlı yürütme sürelerine yol açabilir.
Sabit Talimat Formatı:
RISC mimarileri genellikle sabit bir komut boyutu kullanır (genellikle 32 bit). Bu tekdüzelik, hem işlemcinin hem de derleyicinin tasarımını basitleştirir. Sabit uzunluktaki talimatlarla CPU, daha az kod çözme aşamasına paralel olarak talimatları çözebilir ve alabilir ve programların yürütülmesini hızlandırabilir.
Minimum Adresleme Modları:
RISC tasarımları tipik olarak CISC işlemcilere kıyasla daha az ve daha basit adresleme modları kullanır. Cısc’de, talimatlar genellikle işlemin bir parçası olarak karmaşık bellek konumlarını belirtebilir. Buna karşılık, RISC tipik olarak kayıt dolaylı veya yer değiştirme modları gibi yalnızca birkaç basit adresleme modu kullanır ve bu da talimatların optimize edilmesini kolaylaştırır.
Performans Optimizasyonu:
RISC tasarım felsefesi, talimatların karmaşıklığını azaltarak, daha yüksek saat hızlarına ve boru hattının daha iyi kullanılmasına izin vererek yüksek performansı vurgular. Bu, saat döngüsü başına daha yüksek performansa neden olabilir.
Uzlaşma, daha basit talimatların belirli bir görevi gerçekleştirmek için daha fazla talimat gerektirebilmesidir. Bununla birlikte, yürütmedeki artan verimlilik, artan talimat sayısını dengeleyebilir.
RISC Mimarisi Rısc’nin Avantajları
Yüksek Hız:
RISC işlemciler çoğu talimatı tek bir saat döngüsünde yürüterek yüksek performans ve daha hızlı işlem sunar. Bunun nedeni, aerodinamik boru hattı mimarilerine izin veren komut setinin basitliği ve düzenliliğidir.
Boru Hattı Kolaylığı:
RISC komut setinin basitliği ve düzenliliği, bir cpu’nun verimini iyileştirmek için çok önemli bir teknik olan boru hattının uygulanmasını kolaylaştırır. Talimat yürütmede daha az aşama söz konusu olduğunda, RISC CPU‘lar daha yüksek talimat verimi seviyelerine ulaşabilir.
Azaltılmış Talimat Getirme Karmaşıklığı:
Komut seti küçültüldüğünden ve standartlaştırıldığından, talimatların alınması ve kodunun çözülmesi için donanım daha basittir. Bu, kontrol ünitesinin genel karmaşıklığını azaltır ve talimatların daha hızlı yürütülmesini sağlar.
Enerji Verimliliği:
RISC işlemciler genellikle CISC işlemcilerden daha enerji verimlidir çünkü basit talimatlar daha az transistör kullanır ve daha az güç tüketir. Bu, özellikle güç tüketiminin kritik bir faktör olduğu mobil cihazlarda önemlidir.
Derleyici Optimizasyonu:
Daha basit komut seti, derleyicilerin işlemci için kodu optimize etmesini kolaylaştırır. RISC işlemcileri, performansı optimize etmek için tipik olarak yazılıma güvenir, bu da basit ve öngörülebilir komut seti ile kolaylaştırılır.
RISC’NİN Dezavantajları
Kod Yoğunluğu:
RISC talimatları basit olduğundan, karmaşık işlevsellik elde etmek birden fazla talimat gerektirebilir. Bu, kod boyutunda bir artışa neden olarak belleğin daha az verimli kullanılmasına neden olabilir.
Daha büyük kod boyutu, bellek sınırlı ortamlarda veya daha yavaş bellek erişimi olan sistemlerde özellikle sorunlu olabilir.
Artan Yazılım Karmaşıklığı:
RISC, daha kolay donanım tasarımına ve daha hızlı yürütülmesine izin vermesine rağmen, daha fazla sorumluluğu yazılıma (özellikle derleyiciye) kaydırır. Bir derleyici, çok sayıda kaydı verimli bir şekilde kullanmak ve bellek erişimini en aza indirmek için programları optimize edebilmelidir.
Bellek Erişim Yükü:
RISC, kayıtlara ve kayıtlardan verilerin sık sık yüklenmesini ve depolanmasını gerektirdiğinden, ek bellek erişimi yükü olabilir. CISC işlemcilerde, bellek işlenenleri doğrudan talimatlar içinde kullanılabilir ve bu da bazen daha hızlı veri manipülasyonuna yol açabilir.
Rısc’ye karşı CISC
RISC Mimarisi:
Basit, tek çevrim talimatları.
Çok sayıda genel amaçlı kayıtlara dayanır.
Boru hattı ve performans optimizasyonunu vurgular.
Daha az ve daha basit adresleme modları.
CISC:
Birden çok işlemi içerebilecek karmaşık talimatlar.
Daha az kayıt, belleğe daha fazla güven.
Tipik olarak boru hattını RISC kadar vurgulamaz.
Daha karmaşık ve esnek komut seti.
Uygulamada RISC Mimarileri
En ünlü RISC mimarilerinden bazıları şunlardır:
ARM (Gelişmiş RISC Makinesi):
ARM, mobil cihazlarda, gömülü sistemlerde ve giderek sunucu ortamlarında yaygın olarak kullanılan en başarılı RISC mimarilerinden biridir. ARM işlemciler, düşük güç tüketimi ve yüksek performansı ile bilinir ve bu da onları pille çalışan cihazlar için ideal kılar.
MIPS (Birbirine Kenetlenmiş Boru Hattı Aşamaları olmayan Mikroişlemci):
MIPS, çeşitli gömülü sistemlerde, ağ ekipmanlarında ve eğitim uygulamalarında kullanılan iyi bilinen bir başka RISC mimarisidir. Sadeliği ile bilinir ve diğer birçok RISC tasarımı üzerinde önemli bir etkisi olmuştur.
SPARC (Ölçeklenebilir İşlemci Mimarisi):
Sun Microsystems tarafından geliştirilen SPARC, yüksek performanslı sunucularda ve iş istasyonlarında kullanılan RISC tabanlı bir mimaridir. Ölçeklenebilirliği ve yüksek işlem gücü ile bilinir.
PowerPC
PowerPC, kişisel bilgisayar lardan (ilk Apple Mac’ler gibi) oyun konsollarına ve gömülü sistemlere kadar çeşitli cihazlarda kullanılan bir RISC mimarisidir. PowerPC işlemciler, performansları ve ölçeklenebilirlikleri ile bilinir.
RISC mimarisi, hızlı bir şekilde yürütülen küçük bir talimat kümesine odaklanarak CPU tasarımında sadeliğe doğru bir kaymayı temsil eder. Daha büyük kod boyutlarıyla sonuçlanabilirken, performansa, boru hattına ve enerji verimliliğine verdiği önem, rısc’yi birçok alanda, özellikle mobil ve gömülü sistemlerde baskın bir mimari haline getirmiştir. ARM gibi RISC tabanlı işlemcilerin artan yaygınlığı, bu yaklaşımın kalıcı başarısının bir kanıtıdır. RISC, arm’nin sunucu sınıfı işlemcilere geçişi gibi yeniliklerle gelişmeye devam ediyor ve bu da azaltılmış karmaşıklığın modern bilgi işlemin taleplerini hala karşılayabileceğini gösteriyor.
