نقطه عطف پست RISC : RISC vs . CISC

اكثريت پردازشگرهاي امروزي را به درستي نمي توان كاملاً RICE يا CISC ناميد. دو درسنامد معماري به حدي به يكديگر نزديك شده اند.  كه ديگر فرق آشكاري بين مباحث مربوط به افزايش عملكرد و كارآيي وجود ندارد. واضح تر بگوييم، چيپ هايي كه به شكل x86CLSC ISA عمل مي كنند بسيار شبيه به چيپ هاي مختلف RISC ISA مي باشد؛ از نظر شكل و ساختار شبيه به يكدگيرند اما در زير در پوشها كاملاً با هم متفاوتند. اما اين يك خبر يك طرفه نيست. در واقع چنين موضوعي براي CPU هاي RISC امروزي نيز مطرح است. اختارهايي به آ‌نها افزوده شده كه امروز اندك چيزي به پيچيدگي CLSC وجود دارد. بنابراين بحث بين RISC ضد CLSC تنها در بخش هاي بازاريابي و فروش مطرح است كه اين اختلافات جزئي را بهانة معرفي و فروش قرار مي دهند. در اينجا، لازم مي دانم به گفته ديويد دينزل، رئيس ساخت خانوادة سانزاسپارك (Sun,s SPARK) و CEO of Transmeta، اشاره اي داشته باشم : «امروزه (در RISC ) تيم هاي بزرگ طراحي و چرخه هاي بزرگ طراحي وجود دارند.»

او مي گويد : «داستان عملكرد بسيار واضح است. اندازه هاي كمكي ديگر كوچك نيستند. فقط به نظر نمي رسد كه حساسيت زياد داشته باشد.» نتيجه محصول جديد چيپ هاي پيچيده RISC است. در بزرگترين زمينه هاي مشكل عملكرد خارج از نظرم است. دينزل مي گويد : به نظر من مي رسد كه MIP,S R10/000 و  HP  PA-8000 بسيار پيشرفته تر و پيچيده تر از معماري CLSC هاي استاندارد امروزي است كه پنتيوم II مي باشند. پس فايده RISC، اگر چيپ ها چندان ساده نيستند، چيست؟

اين بيابند مهم است و احساس و نظر بين محققين را بيان مي كند. بجاي CPU هاي يا CLSC در بخش هاي قديمي تر ديگر چيزي نداريم. به عصر پس از RISC خوش آمديد. چيزي كه به دنبال مي آيد يك تز بازبيني شده كامل است كه  چند سال قبل توسط Ars قبل از اظهار نظر دينزل در اين مورد و قبل از اينكه من فرصت تبادل ايميل با افراد متفكر را داشته باشم، بيان شده است. در اين مقاله من دربارة نكات زير صحبت خواهم  نمود :

RISC به همان اندازه كه يك استراتژي طراحي براي عكس العمل به تدريس در يك طرح كامپيوتري در يك مدرسه است يك تكنولوژي مشخص نيست. در واقع يك طغيان عليه نرم (هنجارهاي) رايج بود، نرم هايي كه ديگر وجود ندارند و من راجع به آنها صحبت خواهم نمود. CLSC را بعنوان يك Catch - all (نوعي جعبه) براي دسته فكر كننده در مقابل RISC زندگي مي كنيم. جائيكه كلمات  RISCCLSC, بجز  در ماركتينگ، اهميت خود را از دست داده اند. در دنياي پس از RISC هر طرحي و عملي با محسنات خودش مورد بررسي قرار مي گيرد، و نه با كلماتي مثل باريك، دو قطبي نظرات جهاني را كه سعي مي كنندآن را در تاريكي از دو كمپ قرار دهند. دسته بندي مي كند.

پس از طبقه بندي پيشرفت تاريخچه اي استراتژي هاي طراحي و قرار دادن فلسفه آنها در يك بافت تكنولوژيكي مناسب، من به شرح ايده پردازشگرهاي پس از RISC مي پردازم و نشان مي دهم كه چگونه اين پردازشگرها به دقت بر گروههاي RISC، CLSCجا نمي گيرند.

تاريخچه اقدام به شروع كار

احتمالاً رايج ترين شيوه مقايسه RISC، CLSC ليست كردن ويژگي هاي هر كدام و كنار هم قرار دادن آنها جهت مقايسه سپس بحث در اين باره است كه كدام ويژگي به عملكرد كمك مي كند يا عامل بازدارنده است. اين شيوه چنانچه در مورد دو تكنولوژي موقت رقيب اعمال شود بسيار خوب است مثل مقايسه كارت هاي ويديوئي OS،CPU هاي مشخص و ... اما در مورد CLSCو RISCموفق نيست. زيرا، اين دو فقط استراتژي هاي طراحي هستند و نه تكنولوژي ـ در نتيجه مقايسه آنها جهت دستيابي به يكسري اهداف موجب بروز مشكل مي شود. در واقع خلاصه تر، مي توان آنها را فلسفه هاي طراحي يا راههايي براي فكر دربارة يك سري مسائل و راه حل هاي آنها ناميد.

اكنون ديدن اين دو استراتژي كه از ميان شرايط تكنولوژيكي مشخصي پيشرفت كرده اند مهم است و اينكه در زمان نكته و نقطه مشخصي دارند. هر كدام روشي براي طراحي ماشين هايي بود كه طراحان از كارآيي منابع تكنولوژيكي استفاده كرده بودند. در فرموله نمودن اين استراتژي  ها، محققان نظري هم به محدوديت هاي تكنولوژي روز داشته اند محدوديت هايي كه امروزه الزاماً وجود ندارند. كليد فهم RISC، CLSCفهميدن اين محدوديت ها و شرايط سازندگان كامپيوتر در اين محدوديت ها مي باشد. بنابراين مقايسه صحيح RISC، CLSCاز آن بيرون آمده و گسترش يافته اند، گفتن اين نكته ضروري است كه ابتدا بايستي ؟؟؟ VLST حافظه / ذخيره سازي و كامپايلر (همگردان) در اواخر دهة 70 و اوايل دهة 80 آشنا شد. اين سه تكنولوژي، محيط تكنولوژيكي را كه محققان در آن تلاش مي كردند سريعترين ماشين را بسازند مشخص توصيف مي كند.

ذخيره سازي و حافظه

تجسم و تصور تاثيرات تكنولوژي ذخيره سازي در كامپيوترهاي طراحي شده دهه هاي 70 و 80 بسيار سخت است. در سال 1970، كامپيوترها براي ذخيره كد برنامه از حافظه هسته مغناطيسي استفاده مي كردند؛ هسته هاي حافظه مغناطيسي نه تنها گران قيمت بودند بلكه بسيار هم كند عمل مي كردند. پس از معرفي اقلام RAM از جنبه سرعت بهبود يافتند، اما دربارة قيمت كاري نكردند، براي فهم بهتر اين واقعيت را در نظر بگيريد كه در سال 1977، يك DRAM، 1 مگابايتي حدود 5000 دلار قيمت داشت. در سال 1994 اين قيمت تا حدود 6 دلار كاهش يافت. علاوه بر قيمت بالاي RAM، ذخيره سازي ثانويه نيز  گران قيمت و كند بود، بنابراين حجم زيادي از كد براي اعلام به RAM از ذخيره سازي ثانويه بسيار از عملكرد مي كاست.

قيمت بالاي حافظه اصلي و كندي ذخيره سازي ثانويه دست به دست هم مي داد تا كار را كسل كننده و طولاني كند. بهترين كد، كد فشرده بود؛ شما را قادر مي ساخت تا همه را در مقدار اندكي حافظه قرار دهيد. از آنجايي كه قيمت RAM بخش مهمي از كل هزينه را تشكيل مي داد، كاهش قيمت آن مستقيماً منجر به كاهش هزينه كل سيستم مي شود. (در ابتداي دهه 90، قيمت RAM تنها 36% قيمت كل سيستم را شامل مي شد و پس از آن بسيار ارزانتر شد.) بعداً دربارة اندازه كد و هزينه سيستم، پس از در نظر گرفتن جزئيات عقلي مربوط به محاسبه CISC، صحبت خواهيم نمود.

كامپايلر (همگردان)

ديويد تپرسون در يك مقاله كه به تازگي منتشر  كرده است و قبلاً بعنوان paper در بر كلي بيان نموده است، مي نويسد : چيزي را حين خواندن يك  كاغذ به خاطر سپردن دليل انزجار از كامپايلر هاي آن نسل بود. برنامه نويسان C مجبور بودن كلمه «register» را نزديك هر متغير بنويسند تا كامپايلر از ريجسترها (ثبت كننده ها) بتوانند استفاده كند. وي بعنوان پروفسور سابق بركلي كه يك شركت كامپيوتري كوچك براه انداخته بود ادامه مي دهد : «تا زمانيكه كه كار كند، هر تكه آهن پاره را كه به مردم بدهي، آنها قبول خواهند كرد.» عمده دليل  اين حرف وي بسيار ساده است. پردازشگرها سرعت بالاتر و حجم حافظه بيشتر است و مردمي را كه در هنگام كار از انتظار طولاني مدت خسته مي شوند را راضي مي كند.

كار كامپايلر در آن زمان نسبتاً ساده بود : ترجمه جملاتي كه به يك زبان سطح بالا (HLL) نوشته شده بود، مثل زبان C يا پاسكال به زبان اسمبلي، سپس زبان اسمبلي تبديل به كد ماشين توسط اسمبلر، مي شد. مرحلة مجموعه سازي زمان زيادي صدف مي شد و خروجي به سختي قابل ارزش بود. تا زماني كه ترجمه  HLL به اسمبلي درست انجام مي گرفت، بهترين انتظار را برآورده مي ساخت. چنانچه از كدها بهينه و فشرده استفاده مي كرديد تنها مورد انتخاب شما كه به اسمبلر بود.

VLSI : استفاده از هنر تركيب اشل بسيار بزرگ (Very lange Scale Integration) منجر به ايجاد ترانزيستورهاي با دانسيته پائين در مقايسه با استانداردهاي امروزي، شد. نمي توانيد كاركردهاي بسياري را در يك چيپ قرار دهيد. در سال 1981 زمانيكه تپرسن و سكوئين براي نخستين بار پروژه RISC را مطرح نمودند، قرارگيري يك ميليون ترانزيستور روي چيپ بسيار زياد بود. بعلت قلت منابع در دسترس ترانزيستور، ماشين هاي CISC آن روز مثل VAX واحدهاي عملكردي مختلفي روي چيپ هاي چندتايي داشتند. اين يك مشكل بود زيرا خطاي تاخير زمان انتقال داده ها بين چيپ ها باعث محدود كردن عملكرد و اجرا مي شد. كار يك چيپ به تنهايي ايده آل بود اما بنا به دلايلي بودن بازانديشي اساسي عملي نبود.

راه حل RISC

بنا به دلايلي كه ذكر آنها در اينجا لازم نيست، نقطه عطف نرم افزاري دهة 60 و 70 هرگز كاملاً موفق نبود. در سال 1981 تكنولوژي تغيير كرد اما سازندگان هنوز از روشهاي قديمي بهره مي گرفتند : پيچيدگي را از نرم افزار به سخت  افزار هدايت مي كردند. همانگونه كه قبلاً گفتم، بسياري از اجراهاي CISC بقدري پيچيده بودند كه چندين چيپ را در بر مي گرفتند.  واضح است كه اين وضعيت ايده آل نمي باشد. چيزي كه مورد نياز بود يك راه حل تك چيپي بود ـ چيزي كه استفاده بهينه از منابع در دسترس نادر ترانزيستور را فراهم كند. چنانچه تمام CPU را روي يك چيپ سوار مي كرديد بايستي يكسري قطعات را از آن خارج كنيد. در اين رابطه تحقيقاتي نيز انجام شد كه به پروفايل كردن كدها حقيقي متقاضي در حال اجرا و مشاهده انواع موقعيت هايي كه اتفاق مي افتاد مي پرداخت. ايده، درك اين موضوع بود كه بيشترين زمان را كامپيوتر صرف چه كاري مي كند تا بتوانند براي بهينه سازي اين وظيفه ساختار مناسب بسازند. در واقع حاضر بودند تا سرعت كامپيوتر را در بخشي كه بيشترين وقت را صرف مي كند بالا ببرند حتي اگر اين امر منجر به كاهش سرعت در بخشهاي ديگر بشود. اين شيوه كميتي طراحي كامپيوتر در اظهار نظر معروف پترسون خلاصه شده است : سرعت بخشي به مورد معمول و رايج.

همانطور كه به نظر مي رسد سرعت بخشي به مورد رايج عكس گرايشي بود كه CISC شروع كرده بود : عملكرد و پيچيدگي بايستي از سخت افزار خارج شده به نرم افزار بازگردد، تكنولوژي كامپايلر بهتر و حافظه ارزان تر شده بود و بسياري از نگراني هايي كه طراحان را به سمت يك سِت ساختاري پيچيده هدايت مي كرد نيز بود. در نرم افزار استفاده از زبان سطح بالا بهتر نتيجه مي داد، و محققين آن را استدلال كرده اند؛ استفاده از منابع گرانبهاي سخت افزار در  حمايت MLL ، بيهوده بود. اين منابع را مي توان در جاي ديگر استفاده كرد تا كارآيي را بالا ببرد.

دستورالعملهاي ساده و بازگشت اجراي مستقيم

زمانيكه محققين RISC به دنبال حذف عملكردهاي اضافي بودند اول به موتور مي كرد كه برخوردند كه به دنبال آن تمام ساختارهاي پيچيده اي كار كامپايلر، راتير و برنامه نويس را تسهيل مي كردند، نيز بودند. چيزي كه پترسون و ديگران به آن رسيدند اين بود كه به ندرت شخصي از اين ساختارهاي غريبه و بيگانه استفاده مي كند. كامپايلر و راتير مطمئناً از آنها استفاده نمي كرده اند. زمان جمع آوري كد، كامپايلر استفاده از دستورالعملهاي پيچيده را رها مي كند و به جاي آن ترجيح مي دهد گروههاي كوچكتر دستورالعمل را كه كار مشابهي انجام مي دهند، استفاده كند. محققان متوجه شدن كه از طبقه بندي متقاضيان، درصد كمي از ساختارهاي ISA، اكثريت كار را انجام مي دهند. آن دستورالعملهايي كه به ندرت استفاده مي شوند را مي توان بدون اينكه در كارآيي تاثيري داشته باشند حذف نمود.

اين ايده كاهش دستورالعمل در اثر و به كمك خلاص شدن از همه بجز ضروري ترين دستورالعمل و جايگزيني دستورات پيچيده تر با گروههاي كوچكتر باعث استفاده از كلمه مجموعه دستورات كاهش يافته كامپيوتر (Reduced Instruction Set Comuter) شد. با شمول گروهي كوچك از دستورات دقيق در ماشين، مي توانستيد از شر موتور ميكرو كد خلاص شده و در نتيجه سريعتر عمل كنيد و از يك روش كنترل اجراي مستقيم قابل اعتمادتر استفاده كنيد.

نه تنها تعداد دستورات بلكه حجم آنها نيز كاهش يافت. تصميم بر اين شد كه هر جا امكان داشت، دستورات RISC يك و فقط يك چرخه براي كامل شدن داشته باشند. استدلال اين تصميم بر اساس چند مشاهده بود. ابتدا، محققين متوجه شدند كه هر چيزي را كه بتوان با ميكرو كد انجام داد را مي توان با دستورات كوچك، سريع و به زبان اسمبلي انجام داد. حافظه اي كه براي ذخيره ميكرو كد استفاده مي شد فقط براي اسمبلر مورد استفاده قرار مي گيرد، بنابراين نياز به ميكرو كد كلاً مرتفع مي شود. بنابراين بسياري از دستورات در ماشين RISC به شكل خلاصه تر با ماشين CLSC تطابق دارد.

دوم، فرمت دستور العمل يكپارچه مشاهدة اين امر بود كه ارتباط در صورتي ميسر مي شود كه دستورات پيچيدة متفاوتي استفاده نشود. از آنجايي كه ارتباط به شما امكان اجراي دستورات قطعات چندگانه مختلف را به طور موازي مي دهد، ماشين ارتباط تعداد ميانگين كمتري دستور در هر سيكل دارد. يك راه موثر براي كاهش زمان اجراي يك برنامه كاهش تعداد ميانگين سيكل هاي دستورات اجرايي ماشين مي باشد.

 RISC و معادله كارآيي (اجرا)

بحث ما درباره ارتباط و تاثيرات آن بر روي CPI ما را به در نظر گرفته معادله اجرا بر مي گرداند.

](سيكل/ زمان) * (دستور/ سيكل ها) * (برنامه/ دستورات)[ = برنامه / زمان

طراحان RISC تلاش نموده اند تا زمان بر برنامه را با كاهش طرف دوم به سمت راست «=» و افزايش طرف اول به ميزان اندك، كاهش دهند. استدلال مي شود كه كاهش در سيكل ها در دستورات با كاهش مجموعه دستورات و افزايش وسيله ارتباط و ديگر ويژگي ها حاصل مي شود. و ثابت شد كه اين استدلال صحيح است.

باركردن / ذخيره و ريجسترها

در كنار وسايل ارتباطي، دو ابداع كليدي ديگر نيز وجود داشتند كه به طراحان  RISC امكان دارند تا CPI را كاهش دهند و تجمع كد را در حداقل نگه دارند : حذف حالت هاي پيچيده نشاني دادن (addressing) و افزايش ريجسترهاي ساختماني، در يك ساخت RISC تنها عمليات ريجستر به ريجستر وجود دارد و فقط بارها و ذخيره ها به حافظه دسترسي دارند. مثال ساختما هاي ARS-1 و ARS-2 را كه قبلاً به آن اشاره كرديم را بياد آوريد.

در يك ساختار بار كردن / ذخيره دستورات ARS-2 مثل MUL]5:2 و 2:3 [ نمي تواند وجود داشته باشد. شما مجبوريد اين دستورات را با دو دستور بار كردن (LOAD) جايگزين كنيد ( براي بارگزاري از حافظه به ريجستر) و دستور ريجستر به ريجستر MUL

(مثل[A,B]   Mul) جايگزين كنيد و بعد از دستور STORE ( براي نوشتن نتيجه در حافظه) تك، شمارش دستور را بقدري بالا مي برد كه استفاده از حافظه و اجرا صدمه مي بيند. دلايل اندكي براي توجيه كاهش تجمع كدها نسبت به حجم مورد انتظار وجود دارد.

پروفايل هاي (تاريخچه هاي) فوق الذكر دربارة كدهاي اجرائي NLL كه پترسن و همكارانش نشان دارند، بيان مي كند كه اسكالر در برنامه متغيرهاي محلي هستند. اين بدين معني بود كه چنانچه آنها شاخه هاي چندگانه ريجسترها را به سازه اضافه كنيم، آنها مي توانند اين اسكالرها در ريجسترها نگه دارند و از بارگذاري آنها هر زماني جلوگيري كنند. هر زماني كه زير روال (Subroutine) خوانده مي شود، تمام اسطالرهاي محلي در شاخه ريجستر بارگذاري شده و تا زمان نياز آنجا نگهداري شوند.

در مقابل، ماشين فرضي ARS-1 من از مشخص كننده هاي Operand ميكرو كد براي انتقال بارگذاري ها و ذخيره هاي عمليات حافظه به حافظه (بسيار شبيه VAX) استفاده مي كند. معني اين يعني هر زمان  ARS-1 با چيزي مشابه ]5:2 و 2:3 [Mul برخورد كند، موتور ميكروكد آن اين Mul را به مجموعه اي از دستورات زير ترجمه مي كند :

(LOAD) محتواي 2:3 را در ريجستر بارگذاري كن، محتواي 5:2 را در ريجستر بارگذاري كن (LOAD) دو ريجستر را  كنMul نتيجه را در 2:3 ذخيره كن. (STORE)

اين سري هاي LOAD و STORE سيكل هاي چند گانه مي طلبد كه مثل ماشين RISC مي باشد. تنها تفاوت در اين است كه آن سيكل ها خودشان به دستورات Mul و ثبت نوشته در حافظه برنامه ميكرو كد ARS-2 محتواي دو ريجستر را نوشته و به ترتيب نگه داري مي كند. اين يعني ARS-2 بارگذاري ها و ذخيره هاي بيشتري را نسبت به ماشين RISC انجام مي دهد زيرا نمي تواند دسترسي حافظه را از دستور Mul حذف كند و آنها را هوشمندانه اداره كند.

از آنجايي كه LOAD و STORE در دستور MUL استفاده مي شوند، كامپايلر نمي تواند آنها را با هم تداخل دهد و براي حداكثر كارآيي آنها را دوباره اداره كند. در مقايسه، جدا بودن RISC ها از LOAD و STORE در هر دستور به كامپايلر امكان زمان بندي عمليات در تاخير را بلافاصله پس از LOAD مي دهد.

بنابراين در حاليكه منتظر سيكل هاي اندكي از داده ها براي بارگذاري در ريجستر است مي تواند به جاي اينكه بيكار بماند كار ديگري را انجام دهد. بسياري از ماشين ها CISC مثل VAX از اين تاخير LOAD سود مي  جويند اما اين كار بايستي در ميكرو كد صورت بگيرد.

نقش تغيير يافته كامپايلر

همانگونه كه ديديد نقش كامپايلر، مديريت دسترسي هاي حافظه، در يك ماشين RISC سعي مي كنند اپراندها (Operands) را در ريجستر نگه دارند تا دستورات ساده ريجستر به ريجستر استفاده شود. كامپايلرهاي قديمي سعي در كشف حالت نشاني دادن ايده آل و كوتاهترين فرمت دستور براي افزودن به اپراند در حافظه دارد، در كل، طراحان كامپايلر RISC مدل اجرائي ريجستر به ريجستر را ترجيح مي دهند، بنابراين مي توانند Operand را براي استفاده مجدد در ريجسترها نگاه دارند و تكرار محاسبه دسترسي حافظه را كمتر انجام دهند. سپس براي دستيابي به حافظه از LOAD ها و STORE استفاده مي كنند و مثل يك ساخت حافظه به حافظه عمل كنند.

در يك ساخت RISC نقش كامپايلر بسيار برجسته تر است. موفقيت RISC بسته به هوشمندي و بهينه بودن كامپايلرهاست كه مي توانند مسئوليت هاي زياد را كه RISC به آنها واگذار مي كند انجام دهند و كد بهينه را خارج كنند. اين عمل تغيير ظرفيت بهينه سازي كد از سخت افزار به كامپايلر يكي از پيشرفتهاي كليد انقلاب  RISC بود. از آنجايي كه سخت افزار ساده تر بود، اين يعني كه نرم افزار مقداري از پيچيدگي را با پروفايل نمودن كد و استفاده مدبرانه دستورات كوتاه شده RISC و شمارش ريجستر افزايش يافته، را جذب كند. بنابراين ماشين هاي RISC منابع محدود ترانزيستوري را با ايجاد محيطي كه در آن كد با سرعت اجرا مي شود و اعتماد بر اينكه كامپايلر كد فشرده و بهينه را ايجاد كرده است را كنار گذاشته اند.