RISC ve CISC , Hesaplama alanına hakim olan iki ana işlemci mimarisi türü RISC (Azaltılmış Komut Seti Hesaplaması) ve CISC (Karmaşık Komut Seti Hesaplaması). Bu iki mimari paradigma, işlemci tasarımına, komut setlerine ve genel sistem performansına farklı yaklaşımları temsil eder. RISC ve cısc’nin her birinin avantajları, ödünleşimleri ve uygulamaları vardır ve farklılıklarını anlamak, modern işlemci tasarımını kavramak için çok önemlidir. Bu ayrıntılı karşılaştırmada, RISC ve CISC arasındaki temel farklılıkları, bunların özelliklerini, faydalarını, dezavantajlarını ve bu mimarilerin işlemcilerin tasarımını ve yazılım ekosistemini nasıl etkilediğini inceleyeceğiz.
Komut Seti Tasarımı
RISC ve CISC arasındaki temel fark, komut setlerinin karmaşıklığında yatmaktadır. Bu kümeler, bir işlemcinin gerçekleştirebileceği işlemleri tanımlar ve bunları tasarlama yaklaşımı performansı, tasarım karmaşıklığını ve verimliliği önemli ölçüde etkiler.
CISC (Karmaşık Komut Seti Hesaplama):
CISC işlemcilerin büyük, karmaşık bir komut seti vardır. Bazıları çok karmaşık olan ve tek bir talimatta birden fazla işlem gerçekleştirebilen çok çeşitli talimatlar sağlarlar. Bu yönergeler, belirli bir görev için gereken yönergelerin sayısını azaltarak tek bir döngüde birden çok adımı (bellek erişimi, aritmetik işlemler ve dallanma gibi) yürütebilir. Bu genellikle, özellikle üst düzey dil işlemleri için daha kısa programlarla sonuçlanır.
CISC mimarisinin dikkate değer özelliklerinden bazıları şunlardır:
Çoklu Adresleme Modları: CISC işlemciler, belleğe doğrudan çeşitli şekillerde başvurmalarını sağlayan çeşitli adresleme modlarını destekler.
Değişken Uzunluklu Talimatlar: Talimatların uzunluğu değişir, daha basit talimatlar daha kısa ve daha karmaşık talimatlar daha uzundur.
Mikro Kod: Birçok karmaşık CISC talimatı, üst düzey talimatı yürütme için daha basit mikro işlemlere bölen mikro kod aracılığıyla uygulanır.
Popüler CISC işlemcileri, Intel ve AMD’nin x86 işlemci ailesini içerir.
RISC (Azaltılmış Komut Seti Hesaplaması):
RISC işlemciler ise komut setini basitleştirmeyi amaçlar. RISC işlemcileri, birçok karmaşık yönergeye sahip olmak yerine, tek bir saat döngüsünde yürütülebilen küçük bir basit yönergeler kümesi kullanır. Buradaki fikir, tüm talimatların kabaca aynı uzunluk ve yapıya sahip olmasıyla her talimatı mümkün olduğunca verimli hale getirmektir, bu da daha hızlı boru hattına ve daha basit donanıma olanak tanır.
RISC mimarisinin bazı özellikleri şunları içerir:
Sabit Uzunlukta Talimatlar: RISC talimatları tipik olarak sabit bir uzunluğa sahiptir, bu da talimat kod çözme ve boru hattını basitleştirmeyi kolaylaştırır.
Daha Az Adresleme Modu: RISC tipik olarak daha az adresleme modunu destekler ve bellek erişiminin karmaşıklığını azaltır.
Yükleme / Depolama Mimarisi: RISC mimarileri tipik olarak bellek erişimini aritmetik işlemlerden ayırır. Veriler, üzerinde herhangi bir işlem gerçekleştirilmeden önce kayıtlara yüklenmeli ve sonuçlar daha sonra bellekte saklanmalıdır.
Popüler RISC işlemcileri arasında ARM, MIPS ve RISC-V bulunur.
Performans ve Yürütme Verimliliği
CISC Performansı:
CISC mimarileri daha yüksek talimat yoğunluğuna sahip olma eğilimindedir çünkü tek bir talimat daha fazla iş yapabilir. Bu, bellek sınırlı olduğunda tarihsel olarak önemli olan daha küçük kod boyutuna yol açabilir. Bununla birlikte, bu avantaj, belleğin bol ve daha ucuz olduğu modern hesaplamada daha az önemli hale gelmiştir. CISC işlemcilerdeki talimatların karmaşıklığı, kod çözme ve mikro işlemlere duyulan ihtiyaç nedeniyle bazı talimatların yürütülmesinin birkaç saat döngüsü alabileceği anlamına gelir.
Mikro kod yaklaşımı, işlemcinin tek bir talimata karşılık gelen mikro işlemleri getirmesi, kodunu çözmesi ve yürütmesi gerektiğinden ek ek yük de getirir. Bu, bir CISC yönergesinin yürütme süresini daha az öngörülebilir hale getirir ve belirli iş yükleri için daha yavaş performansa neden olabilir.
RISC Performansı:
RISC işlemciler, saniyede daha fazla sayıda talimat (IPS) elde etmelerini sağlayan basit talimatları yürütmek için yüksek verimli olacak şekilde tasarlanmıştır. Çoğu RISC talimatının yürütülmesi tek bir saat döngüsü gerektirdiğinden, bu işlemciler boru hattı ve paralellik için daha uygundur, bu da daha yüksek verim ve daha iyi genel performans sağlar.
Ancak, RISC işlemcileri cısc’de daha az talimat alacak bir görevi gerçekleştirmek için daha fazla talimat gerektirdiğinden, bu daha büyük kod boyutlarına yol açabilir. Ancak, daha hızlı ve daha bol belleğin kullanılabilirliği ile, daha basit komut yürütmeden elde edilen performans kazanımları genellikle daha büyük kod boyutundan daha ağır basar.
Donanım ve Tasarım Karmaşıklığı
CISC Tasarım Karmaşıklığı:
CISC işlemcilerin, destekledikleri çok çeşitli talimatlar ve adresleme modları nedeniyle tasarımı daha karmaşıktır. Komut setinin karmaşıklığı, komutların kodunu çözen ve yürüten kontrol ünitesinin, bazıları çok karmaşık olabilen çok çeşitli işlemleri gerçekleştirebilmesi gerektiği anlamına gelir. Bu, daha fazla donanım bileşenine sahip daha büyük ve daha karmaşık bir yonga tasarımıyla sonuçlanır.
Her talimat farklı bir mikro işlem dizisi gerektirebileceğinden ve bu mikro kodun bellekte saklanması gerektiğinden, mikro kod kullanımı başka bir karmaşıklık katmanı ekler.
RISC Tasarım Karmaşıklığı:
RISC işlemciler, azaltılmış talimatlar kümesine odaklanarak daha basit olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu basitleştirme, bir boru hattındaki talimatları kolayca alabilen, kodunu çözebilen ve yürütebilen çok daha basit bir kontrol ünitesine yol açar. Bir RISC işlemcisinin donanımı, bir CISC işlemcisinden daha az karmaşık olma eğilimindedir, bu da daha hızlı saat hızlarına ve daha verimli boru hattına olanak tanır.
RISC mimarileri basit talimatlara odaklandığından, mikro koda daha az ihtiyaç vardır ve her talimat tutarlı bir süre içinde yürütülebilir. Bu basitlik aynı zamanda birden fazla çekirdeğe sahip yüksek performanslı işlemcilerin tasarlanmasını ve paralel işleme desteğini kolaylaştırır.
Bellek Kullanımı ve Kod Boyutu
CISC Bellek Kullanımı:
CISC işlemcileri genellikle daha küçük kod boyutlarına ulaşır çünkü tek bir talimat birden çok görevi gerçekleştirebilir. Bu, bir görevi tamamlamak için gereken talimatların sayısı azaldığından, belleğin kısıtlı olduğu ortamlarda özellikle avantajlıdır. Bu, erken hesaplama sistemlerinin sınırlı bellek kaynaklarına sahip olduğu durumlarda önemli bir özellikti.
Bununla birlikte, daha önce de belirtildiği gibi, kod boyutundaki bu verimlilik, performansı azaltabilen karmaşık komut kod çözme maliyetine sahiptir. Büyük miktarda belleğe sahip modern sistemler, bu tür kompakt koda daha az ihtiyaç duyar ve bu da CISC’NİN bellek avantajını daha az belirgin hale getirir.
RISC Bellek Kullanımı:
Buna karşılık, RISC işlemcileri daha büyük kod boyutlarına sahip olma eğilimindedir, çünkü bir CISC işlemcisinde daha az talimat alacak aynı görevi gerçekleştirmek için daha fazla talimat gerekir. Bununla birlikte, RISC talimatları basit ve tekdüze olduğundan, kod çözülmesi ve yürütülmesi daha hızlı olma eğilimindedir ve bu da birçok uygulamada daha yüksek performansa yol açar. Ek olarak, modern bellek sistemleri, bu dezavantajın etkisini azaltarak daha büyük kod boyutlarını işlemek üzere tasarlanmıştır.
Yazılım ve Derleyici Desteği
CISC Yazılımı:
CISC işlemcileri genellikle belirli üst düzey dil işlemleri için daha az talimat gerektirme avantajına sahiptir. Bu, CISC işlemcilerin daha az talimatla üst düzey programlar yürütebileceği ve program boyutunun ve karmaşıklığının endişe kaynağı olduğu ortamlarda bunları daha verimli hale getirebileceği anlamına gelir. Bununla birlikte, CISC işlemcileri, karmaşık talimatları optimize etmek ve daha büyük komut kümesini yönetmek için genellikle daha karmaşık derleyiciler gerektirir.
RISC Yazılımı:
RISC işlemcileri, CISC işlemcilerinin daha az adımda işleyebileceği aynı görevleri tamamlamak için daha fazla yönergeye güvenir. Sonuç olarak, RISC işlemcileri, kodu verimli bir şekilde optimize etmek ve minimum gecikmeyle yürütülmesini sağlamak için derleyiciye güvenme eğilimindedir. Zamanla, RISC işlemcileri için derleyiciler önemli ölçüde gelişti ve bu da işlemcinin basitleştirilmiş komut setinden yararlanan verimli programlar yazmayı mümkün kıldı.
Örnekler ve Uygulamalar
CISC Örnekleri:
Intel x86: En yaygın kullanılan CISC işlemcilerden biri olan x86 mimarisi masaüstü bilgisayarlarda, dizüstü bilgisayarlarda ve sunucularda kullanılır. Zengin komut seti ve eski yazılımlarla geriye dönük uyumluluğu, onu PC endüstrisinde baskın bir oyuncu haline getirdi.
VAX: Digital Equipment Corporation (DEC) tarafından geliştirilen VAX mimarisi, karmaşık talimatlar ve kapsamlı bir adresleme modları içeren bir CISC işlemcisinin başka bir örneğidir.
RISC Örnekleri:
ARM: ARM, mobil cihazlarda, gömülü sistemlerde ve giderek artan bir şekilde dizüstü bilgisayarlarda ve sunucularda kullanılan popüler bir RISC mimarisidir. Sadeliği ve enerji verimliliği, onu düşük güçlü cihazlar için ideal kılar.
MIPS: MIPS, birçok gömülü sistemde, ağ cihazında ve yüksek performanslı bilgi işlem uygulamalarında kullanılan başka bir RISC mimarisidir.
RISC-V: Daha yeni, açık kaynaklı bir RISC mimarisi olan RISC-V, işlemci tasarımı ve gömülü sistemlerde araştırma ve geliştirme için popülerlik kazanıyor.
Özetle, RISC ve CISC mimarileri, her birinin avantajları ve dezavantajları olan işlemci tasarımına iki farklı yaklaşımı temsil eder. CISC, daha fazla komut yoğunluğu ve daha küçük kod boyutu elde edebilen ve belirli uygulamalar için faydalı hale getiren daha karmaşık ve zengin özelliklere sahip bir komut seti sunar. Bununla birlikte, karmaşıklığı daha yavaş yürütmeye ve daha yüksek tasarım maliyetlerine yol açabilir. Öte yandan RISC, aynı görevleri gerçekleştirmek için daha fazla talimat gerektirse de, daha hızlı talimat yürütme ve daha basit donanım tasarımı sunarak basitlik ve verimliliğe odaklanır. Her iki mimari de gelişmeye devam ediyor ve bunların çeşitli alanlardaki alaka düzeyi, uygulamanın özel ihtiyaçlarına, güç verimliliğine ve temel donanım tasarımına bağlı.
