Giriş: CISC Mimarlıkın Enduring Legacy of CISC Architecture

Kompleks Öğretim Setleri Bilişim (CISC) mimarisi, beş yıldan fazla süredir modern hesaplamanın temelini şekillendirmiştir. 1970'lerin oda büyüklüğü ana çerçevelerinden bugün CISC geliştirmenin tam arkına kadar, CISC eğitim setleri sürekli olarak ana çerçevelerin ve donanım ortamlarının anlaşılmasıyla birlikte gelişti.

CISC'nin temel premiseleri zariftir: karmaşık, çok adımlı işlemleri tek talimatlarla yürütebilecek bir işlemci tasarlayın, böylece yüksek seviyeli programlama dilleri ve makine kodu arasındaki semantik boşluğu azaltır.Bu yaklaşım, daha basit derleyiciler, daha küçük program boyutları ve daha verimli bir şekilde hafıza ve depolamanın büyük ölçüde pahalı olduğu bir zamanda daha verimli bir şekilde kullanılmasını sağlar. 1980'lerde RISC mimarisinin yükselişini zorlaştırır, CISC sadece x-style tekniklerini dahil etmek, RISC tarzı teknikleri ile birlikte, geri uyumluluk ve zengin öğretim setleri dahil etmek.

1970'lerde CISC'nin Kökenleri: Mainframes ve Komplek Talimatların Doğumu

CISC mimarisinin tohumları, 1960'ların ve 1970'lerin sonlarında, hafıza maliyetinin modern standartlar tarafından astronomik olduğu bir dönemde eklenmiştir. Bilgisayar tasarımcıları, eğitim için elde edilen çalışma miktarını en üst düzeye çıkarmak için çok zengindi, çünkü her bir talimat değerli bellek döngüleri ve çeşitli veri türleri, tam anlamıyla ana sistem /360) tarafından 1964 yılında tanıtıldı, genellikle CISC ilkelerine sahip olan ilk büyük ticari sistem olarak gösterilir.

“CISC” terimi, 1970'lerin sonlarında araştırmacıların, IBM ve Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacıların ortaya çıkan RISC felsefesiyle karşı karşıya kaldığı sürece, tüm işlemciler basitçe "işlemciler" olarak etiketlendi.Bir daha sonra CISC'nin etiketlenmesi gereken mimari yaklaşım, birkaç pratik kısıtlamayla ortaya çıktı: sınırlı hafıza çipleri, ve bu da hafızaya karşılaştırıldığında, daha verimli bir şekilde montaj dili programlamayı tercih etti.

1970'lerin ortalarında, Dijital Ekipman Şirketi (DEC) gibi şirketler VAX-11/780 ve Intel'i 8086 işlemcisi ile yürütmüş ve özellikle de, RISC mimarisinin bir ders kitabı örneği haline gelmiş, bu karmaşıklık modları gerçekleştirmek için çok sayıda talimat gerektirecektir.

Erken CISC Süreçtörlerin Anahtar Özellikleri

  • [FONT:0)Large Öğretim setleri: [Dönder:[Dönetici:0) Erken CISC çipleri genellikle yüzlerce farklı talimat içeriyor, birçok tanesi çok özel operasyonlar gerçekleştirdi.
  • [FONT:0) Değişken Öğretim uzunlukları:[Dönemli Öğretim 1: 1) Talimatlar, esnek kodlamaya izin vermek, ancak hesaplamaya izin vermek için bir düzineden bire kadar aralığına ulaşabilir.
  • [FONT:0) Çok sayıda adresleme modları:[Döncükler, kayıt doğrudan, hafıza dolaylı, indekslenmiş ve temel yer değiştirme modları dahil olmak üzere operaları belirtmenin birçok yolunu desteklediler.
  • [FONT=0]Complex mikrocode[[[Dönetici: Kontrol mantığı mikrokod kullanarak uygulandı, her makineli öğretimi donanım kontrol sinyallerine çeviren düşük seviyeli talimatlar.Bu yaklaşım basitleştirilmiş işlemci tasarımı ama sınırlı performans.
  • [FONT:0]Memory-to-memory işlemleri:) Birçok erken CISC talimatları doğrudan orta depolama için kayıt gerektiren hafıza operalarında çalışabilecektir.

Bu özellikler programcılar ve derleyiciler için olağanüstü esnek erken CISC işlemcileri yaptı. Ancak, değişken uzunlukta talimatların karmaşıklaştırılması ve mikrokod işlemlerinin uygulanması, bu işlemcilerin genellikle daha yavaş saat hızlarında koştuğunu ve daha fazla silikon alanı gerekli olduğunu ifade etti.

CISC'nin Yükselişi: Intel 8086 ve x86 Legacy

CISC tarihinin en uygun olayı, ilk 8bit 8086 1978'de, 8086'da, x86 olarak bilinen 16 bit işlemcisi, tarihteki en kalıcı ve yaygın olarak kullanılan CISC mimarisine izin vermekti.

IBM'in 1981 yılında Intel 8088'i (daha ucuz, 8bit-bus sürümünü orijinal IBM Kişisel Bilgisayar'da etkili bir şekilde PC mimarisi için standart olarak x86'yı kullanmaya izin verdi, ancak 80286 ve 80386'dan Pentium'a kadar, Core ve Xeon ailelerine kadar, orijinal 8086 set talimatla geri uyumluluk sağladı. Bu uyumluluk hem de bir güç hem de yük oldu: modern donanıma sahip olmak için on yıllar boyunca izin verdi.

1985 yılında serbest bırakılan 80386, sonraki iki yıl boyunca 32 bit işlemeyi sağlayan bir dönüm noktasıydı. Ayrıca hafızayı da koruma, korumalı mod ve sanal 8086 modu, Linux ve Windows NT gibi modern işletim sistemleri için zemin işi yapan yeteneklere rağmen, 80386'nın talimatı önümüzdeki iki yıl boyunca PC işlemci pazarından büyük ölçüde genişledi.

CISC vs. RISC Debate: Büyük Mimari Schism

1980'lerin ortalarında, felsefi bir schizm bilgisayar mimarisi araştırmalarında ortaya çıktı.Bir tarafta UC Berkeley ve Stanford Üniversitesi'nde araştırmacılar tarafından şampiyona edildi.

RISC kampının temel argümanları güçlütü:

  • [FONT:0)Simpler talimatları daha hızlı kodlanır).
  • [FONT:0) Düz ekran talimatları[Dönemli:0] Sağlam borular, eşzamanlı olarak yürütmeye izin vermek için birden fazla talimat verir.
  • [FONT:0]Load-store mimarlıkları[[Dönetici: 1 ), sadece yük ve mağaza talimatları erişim hafızaya erişerek, kayıt kullanımını optimize etmek ve boru hatlarının azaltılmasını kolaylaştırmak için daha kolay hale getirin.
  • [FONT:0)Large kayıt dosyaları hafıza erişimlerini azaltır, performans geliştirir.
  • [FONT=0)Compiler optimizasyonu[[Dönetici:0) Genellikle mikrokod karmaşık talimatları kullanarak daha iyi sonuçlar elde edebilir.

Bir süre için RISC, 1990'ların başlarında RISC çiplerinin tamamen yüksek hızda çalıştığını ve çağdaş CISC işlemcilerine kıyasla üstün tam zamanlı performans elde ettiğini gösterdi.

Ancak, CISC'nin cevabı, 1993 yılında başlatılan ve RISC'nin tekniklerini içsel olarak benimsemek değildi. Intel'in 80486, 1989 yılında serbest bırakıldı, beş aşamalı bir boru hattını tanıttı ve daha verimli bir mikrokobap motoru. Pentium, 1993 yılında başlatılan, x86 talimatları bir araya getiren süper bir mimari ekledi, ancak gerçek atılım 1995 yılında Pentium Pro ile geldi.

CISC Rönesansı: Micro-Ops, Pipelining ve Out-of-Order Execution

Pentium Pro'nun mikro-op çeviri tekniği, her iki Intel ve AMD decode'dan gelen dönüşümsel bir yenilikdi.Bu mikro-ops daha sonra CISC komutunu destekleyen çok yönlü bir uygulama motoru aracılığıyla gönderilir.

Bu tasarım felsefesi, zenith'e, [0]Intel Core mikroarchitecture) (2006) ve onun ardılları ile ulaştı: Core mimarlık şunları yazdı:

  • [FONT:0)Wide out-of-order execution:), işlemcinin getirebileceği, kodlanabilir ve dört talimatların döngüsüne kadar, boru hattının kullanımını yeniden sipariş etmek için onları sipariş edebilir.
  • [FONT:0]Macro-füzyon ve mikro-füzyon: Adjacent x86 talimatları tek bir mikro-opa, decode bant genişliğine birleştirilebilir.
  • [FONT:0) İleri düzey tahmin:[Döneticileri ve geri dönüş çöp tamponları, boru hattında kritik bir faktöre indirgendi.
  • [FONT:0)Power-aktif uyku ülkeleri: [Dönetici gerilimi ve frekans ölçeklendirmesi, talep düşük olduğunda güç tüketiminin azaltılmasına izin verdi.

AMD'nin rakip K8 ve K10 mimarlıkları ve daha sonra da GÜNCÜ:0)Ryzen/Zen[Dönetici: 1 ) serisi, benzer stratejiler takip etti. ZenC mimarisi, 2017'de sadece büyük bir 32KB L1 önbellekle yeniden tasarlanmış mikro-op önbellekleme, dört ALU'lar ve aynı anda çoklu okuma (SMT) AMD'nin yaklaşımının sadece maça çıkamadı, ancak birçok RISC tasarımını çok fazla iş yüküyle aşamadı.

Modern CISC Uygulamalarında Anahtar Teknikleri

  • [FONT=0)Mikro-işlev çevirisi:[Dönetici:[Dönetici:0) Komplek x86 talimatları, siparişden planlanabilecek olan basit, sabit uzunlukta mikro-oplara yol açıyor.
  • [FONT=0)Mikro-op önbellek:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönbelli:[Döneticiler) Sık kullanılan mikro-oplar önbelleklenir, kodlanmış aşamayı atlar ve güç tüketimini azaltır.
  • [FONT:0)Out-of-order execution: Talimatlar (mikro-ops) program siparişinden ziyade veri akışı düzeninde yürütülür, uygulama birimlerinin kullanımını geliştirir.
  • [FONT:0]Yönetici yeniden ortaya çıkıyor:[Dönetici:[Dönetici:0) x86'nın büyük mimarı, çok daha büyük bir fiziksel kayıt havuzuna haritalanmış, yanlış bağımlılıkları ortadan kaldırmak.
  • [FONT:0]Speculative execution:[Dönetici:[Dönetici: 0,4] The işlemci, zaman öncesindeki şube sonuçlarını tahmin eder ve yanlış tahminlere geri döner.
  • [FONT:0)Simultane multithreading (SMT): [Dönetici: Birden çok donanım parçası, tüm temelleri kopyalamaksızın uygulama kaynaklarını paylaşıyor.

Bu teknikler, modern x86 işlemcilerinin sanallaştırma, şifreleme ve makine öğrenimi gibi modern iş yüklerini gerçekleştirmesine izin veriyor. Sonuç, on yıllardır süren yazılımları diskazing hızlarında gerçekleştirebilecek bir işlemcidir, aynı zamanda modern iş yüklerini sanallaştırma, şifreleme ve makine öğrenimi teşvik etmeyi de destekler.

Modern CISC: x86-64, Sanallaştırma ve Güvenlik Dahilileri

64-bit uzatma, 2003 yılında Opteron işlemcisi ile tanıtıldı, 64-bit genel amaçlı kayıtlar, sanal adresi 48 bitlere genişletti (ve sonunda Intel 64 veya x86-64) ve 64-bit işlemleri için yeni bir dizi talimatları tanıttı.

Sanallaştırma desteği, CISC evriminin başka bir önemli kilometre taşıydı. Intel'in VT-x) 2005 yılında tanıtıldı, donanıma dayalı performans, veri merkezi verimliliğini ve bulut bilişim devrimini takip etti.

Güvenlik uzantıları da modern CISC işlemcilerinin belirleyici bir özelliği haline geldi. Intel'sETHFLT:0)SGX) ve [[Software Guards) için donanıma dayanıklı izolasyon sağlar.(TD)[DÜDÜDÜDÜDÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.

AI ve vektör işleme de modern CISC. Intel'in [[0)AVX-512[DÜye Olmayanlar (İsviçresiz ve Üst Seviyeler) ve AMD'nin [[Döneticileri) uygulamaları ve gelecekteki [[Döneticileri/veyaleri/veyaleri/veyaleri/veyaleri/veyaleri) ile genişleterek, bu uzantıları otomatik olarak hızlandırır.

Çağdaş CISC Uygulamaları: Intel Core ve AMD Ryzen

Orta 2020’lerin ortalarında, CISC işlemcilerinin iki baskın ailesi de KAYITT:0)Intel Core[DÜT:1) ve [[Dörtücükler ile büyük kümeler birleştirin.

Intel'in son derece:0)Core Ultra[DDÜT:1) işlemciler (Meteor Lake and Renes) ayrı hesaplama, grafikler ve I/O, ayrı çipler üzerinde bulunan bir karot tasarım kullanır.The Suite Karolit (P-cores) bu heterojen yaklaşıma dayanan, mikrobiyografi ve etkili bir performans için sürekli performansa olanak sağlar.

AMD'nin şu ana kadar:0)Ryzen 7000 ve 8000 serisi), Zen 4 mikroaritekture üzerinde inşa edilmiş ve ana bilgisayar platformunda 16 tane (32 iplik) yer almaktadır. Zen 4 mimarisi, 1 MB'ye kadar L2 önbellekliliği artırmıştır ve AVX-512 talimatlarına ek olarak eklenmiştir.

Her iki şirket de ağır bir şekilde inanca yatırım yapmaya devam ediyor:0) Kombine mimariler[Dönetici 1 ), birden küçük bir paketi birleştirebilmelerine izin veriyor. Bu yaklaşım, üretim verimlerini artırır, maliyetleri azaltır ve esnek ürün yapılandırmalarını sağlar.

CISC'nin Geleceği: Hibrit Mimarlıklar ve Özelleştirilmiş Hızlandırıcılar

CISC'nin evrimi tamamlanmadan çok uzaktır. Çeşitli eğilimler, eğitim set tasarımının geleceğini şekillendirmektedir:

  • [FONT:0)Domain-spiyonistleri:[Döneticileri) Modern CISC işlemcileri giderek AI, kriptografi, medya kodlaması ve ağ için uzmanlaşmış donanım blokları giderek daha fazla entegre eder. Bu hızlandırıcılar genellikle ISA'ya eklenerek kontrol edilir, CISC'ye dahil olmak üzere karmaşık işlemleri düzenleme geleneğine genişletir.
  • [FONT=0) Güvenlik odaklı talimatlar:[Dönetici:[Dönetici:0)[FONT=0)Politika-B][/FONT=0)[FONT-CONT=0)))
  • [FONT=0]RISC-V yarışması: [Dönetici: Açık kaynaklı RISC-V eğitim seti mimarisi, x86'nın baskınlığı için uzun vadeli bir meydan okuma sunar. RISC-V şu anda x86 ekosistemi ve performansını yoksun olsa da, modüler doğası ve satıcı-neutral yönetimi büyük şirketlerden yatırım çekiyor.If RISC-V kazanımlar önemli bir pazar payı alırsa, CISC tasarımlarında inovasyonu hızlandırmaya baskı yapabilir.
  • [FONT:0)Backward, çift taraflı bir kılıç olarak uyumluluk: Bu tür miras talimatların on yıllar boyunca desteklenmesi gereken önemli karmaşık ve silikon alan maliyetlerini taşır. Ancak, mevcut yazılımların tam ortadan kaldırılması, endüstri, emulation veya dinamik çeviri yoluyla uyumluluk sağlamak için yollar keşfeder.
  • [FONT:0]Hybrid hesaplaması:[Dönetici:[Dönetici:0)[Döneticileri) Geleneksel CISC ve RISC elemanlarının entegrasyonu, bazı gelecekteki tasarımların ideolojik saflık tarafından tanımlanamayacağına işaret ediyor: CISC’nin yüksek verimli bir infazı için RISC gibi bir temel, mirasın talimatlarını çeviren bir sonla.

Özellikle ilginç bir olasılık, sanallaştırmanın (örneğin, QEMU) ve bazı işlemci uygulamaları (e.g., x86 Itanium’un yazılımlarını yeterince olgunlaştırması için sunulan talimat setlerini ayrıştırmak için).Bu, gelecekteki CISC işlemcilerinin sanallaştırma (örneğin, QEMU) ve bazı işlemci uygulamaları aracılığıyla yazılım uyumluluklarını sürdürmesine izin verebilir.

Sonuç: CISC, RISC ve Boundaries'in Blurring

CISC eğitim setlerinin tarihi, 1970'lerin pratik kısıtlamalarından doğan adaptasyon ve dayanıklılık hikayesidir, CISC mimarisi dünyanın en büyük sunucularının, masaüstülerin ve dizüstü bilgisayarların büyük çoğunluğunun gücünü sürdürmeye devam eden olgun ve yüksek çözünürlükte bir ekosistemdir.

Bugünün CISC işlemcileri, bu iki dünyanın her bir standart özelliği olan RISC ve RISC philosophies'in zengin semantiklerini birleştiren karma tasarımları, her iki dünyanın da ticari yüklerini kesmeye muktedir olan mikro-op çeviri katmanının her iki özelliğidir.

Önümüzdeki sefere, CISC ve RISC arasındaki sınır muhtemelen bulanıklaşmaya devam edecektir. RISC-V ve ARM v9 gibi gelişen mimariler, pragmatik görevler için daha karmaşık talimatları birleştirmektedir, CISC ve mimarlar için, ders nettir: En iyi eğitim seti, kullanıcıların ihtiyaçlarını dengelemek, diğer bir kampta bir kampın zaferini ve teknolojik bir zemine doğru bir şekilde değiştirmektir.

Daha fazla okuma için, [[Üyetim:0)Intel Mimarlık Öğretimi Setleri [Dönetici: 1) Belgeleri modern x86 talimatlarında yazara dayalı ayrıntılar sağlar, ancak CISC'nin kökenleri ve [D'nin Zen Microarchitecture) genel bakış açısı, teknik özelliklerle ilgili alternatif yaklaşımı gösterir.