CISC-RISC Komut Seti Mimarileri

Komut seti mimarisi, yazılım ile donanım arasındaki iletişimi sağlar. Yazılımdaki komut ne kadar karmaşık olursa, donanım da o kadar karmaşık olur. Bu yüzden komut seti ne çok karmaşık ne de çok yalın olmalıdır.

Programcılar özel bilgisayar sistemleri için, özel donanıma göre kod yazmaktaydılar. Bu yüzden bir makine için yazılan program diğer makinelerde çalışmamaktaydı ve her yeni makine için yeni kodlar yazılmak durumundaydı. IBM firması bu sorunu çözmek için komut kümesi mimarisi (ISA) ve mikrokod motoru denilen bir yöntem geliştirdi. Komut kümesi mimarisi (ISA) bir bilgisayar donanımının, alt düzey programcıya (sistem programlarına) görünen yüzüdür. ISA, makine dili komutları, programcıya görünen saklayıcıları ve işlemcinin doğal veri yapılarını içerir.

CISC Mimari (Programsal Yaklaşım) – Karmaşık Komut Kümeli Bilgisayarlar (CISC)

Bu mimari, programlanması kolay ve etkin bellek kullanımı sağlayan tasarım felsefesinin bir ürünüdür. İşlemci üzerinde performans düşüklüğü ve işlemcinin karmaşık bir hale gelmesine neden olsa da yazılımı basitleştirmektedir. Bu mimarinin en önemli iki özelliği, değişken uzunluktaki komutlar diğeri ise karmaşık komutlardır. Değişken ve karmaşık uzunluktaki komutlar bellek tasarrufu sağlar. Karmaşık komutlar birden fazla komutu tek bir hale getirirler. Karmaşık komutlar aynı zamanda karmaşık bir mimariyi de oluşturur. Mimarideki karışıklık işlemcinin performansını da doğrudan etkilemektedir. Bu sebepten dolayı çeşitli istenmeyen durumlar ortaya çıkabilir. CISC (Complex Instruction Set Computer) komut seti mümkün olabilen her durum için bir komut içermektedir. CISC mimarisinde yeni geliştirilen bir mikroişlemci eski mikroişlemcilerin assembly dilini desteklemektedir.

CISC mimarisi çok kademeli işleme modeline dayanmaktadır. İlk kademe, yüksek seviyeli dilin yazıldığı yerdir. Sonraki kademeyi ise makine dili oluşturur. Burada yüksek seviyeli dilin derlenmesi ile bir dizi komutlar makine diline çevrilir. Bir sonraki kademede makine diline çevrilen komutların kodları çözülerek, mikrokodlara çevrilir. En son olarak da işlenen kodlar gerekli olan görev yerlerine gönderilir.

CISC Mimarisinin Avantajları:

• Mikroprogramlama assembly dilinin yürütülmesi kadar kolaydır ve sistemdeki kontrol biriminden daha ucuzdur.
• Yeni geliştirilen mikrobilgisayar bir öncekinin assembly dilini desteklemektedir.
• Verilen bir görevi yürütmek için daha az komur kullanılır. Böylece bellek daha etkili kullanılır.
• Mikroprogram komut kümeleri, yüksek seviyeli dillerin yapıların benzer biçimde yazıldığından derleyici karmaşık olmak zorunda değildir.

CISC Mimarisinin Dezavantajları:

• Gelişen her mikroişlemci ile birlikte komut kodu ve yonga donanımı daha karmaşık bir hale gelmiştir.
• Her komutun çevrim süresi aynı değildir. Farklı komutlar farklı çevrim sürelerinde çalıştıkları için makinanın performansını düşürecektir.
• Bir program içerisinde mevcut komutların hepsi kullanılmaz.
• Komutlar işlenirken bayrak bitlerinin dikkat edilmesi gerekir. Bu da ek zaman süresi demektir. Mikroişlemcinin çalışmasını etkilemektedir.

RISC Mimari (Donanımsal Yaklaşım) – Azaltılmış Komut Kümeli Bilgisayarlar (RISC)

RISC mimarisi IBM, Apple ve Motorola gibi firmalarca sistematik bir şekilde geliştirilmiştir. RISC mimarisinin taraftarları, bilgisayar mimarisinin gittikçe daha karmaşık hale geldiğini ve hepsinin bir kenara bırakılıp en başta yeniden başlamak fikrindeydiler. 70li yılların başında IBM firması ilk RISC (Reduced Instruction Set Computers) mimarisini tanımlayan şirket oldu. Bu mimaride bellek hızı arttığından ve yüksek seviyeli diller assembly dilinin yerini aldığından, CISC’in başlıca üstünlükleri geçersiz olmaya başladı.

RISC’in felsefesi üç temel prensibe dayanır;

• Bütün komutlar tek bir çevrimde çalıştırılmalıdır. Her bir komutun farklı çevrimde çalışması işlemci performansını etkileyen en önemli nedenlerden biridir. Komutların tek bir çevrimde performans eşitliğini sağlar.
• Belleğe sadece “load” ve “store” komutlarıyla erişilmelidir. Eğer bir komut direkt olarak belleği kendi amacı doğrultusunda yönlendirilirse onu çalıştırmak için birçok saykıl geçer. Komut alınıp getirilir ve bellek gözden geçirilir. RISC işlemcisiyle, belleğe yerleşmiş veri bir kaydediciye yüklenir, kaydedici gözden geçirilir ve son olarak kaydedicinin içeriği ana belleğe yazılır.
• Bütün icra birimleri mikrokod kullanmadan donanımdan çalıştırılmalıdır. Mikrokod kullanımı, dizi ve benzeri verileri yüklemek için çok sayıda çevrim demektir. Bu yüzden tek çevrimli icra birimlerinin yürütülmesinde kolay kullanılmaz.

RISC mimarisi küçültülen komut kümesi ve azaltılan adresleme modları sayısı yanında aşağıdaki özelliklere sahiptir.

• Bir çevrimlik zamanda komut işleyebilme
• Aynı uzunluk ve sabit formatta komut kümesine sahip olma
• Ana belleğe sadece “load” ve “store” komutlarıyla erişim; operasyonların sadece kaydedici üzerinde yapılması
• Bütün icra birimlerinin mikrokod kullanmadan donanımsal çalışması
• Yüksek seviyeli dilleri destekleme
• Çok sayıda kaydediciye sahip olması

RISC Mimarisinin Üstünlükleri

• Hız: Azaltışmış komut kümesi, kanal ve süperskaler tasarıma izin verildiğinden RISC mimarisi CISC işlemcilerin performansına göre 2 veya 4 katı yüksek performans gösterir.
• Basit Donanım: RISC işlemcinin komut kümesi çok basit olduğundan çok az yonga uzayı kullanılır. Ekstra fonksiyonlar, bellek kontrol birimleri veya kayan noktalı aritmetik birimleri de anı yonga üzerine yerleştirilir.
• Kısa Tasarım Zamanı: RISC işlemciler CISC işlemcilere göre daha basit olduğundan daha çabuk tasarlanabilirler.

RISC Mimarisinin Eksiklikleri:

CISC tasarım stratejisinden RISC tasarım stratejisine yapılan geçiş kendi problemlerinde beraberinde getirmiştir. Donanım mühendisleri kodları CISC işlemcisinden RISC işlemcisine aktarırken anahtar işlemleri göz önünde bulundurmak zorundadırlar.

CISC – RISC Mimari Karşılaştırması

RISC ve CISC işlemciler birbirleri ile hızlarına, komut işleme tekniklerine, kullanılan transistor sayılarına, vb. kriterlere göre karşılaştırılabilirler.

Hız: İki işlemci mimarisinin karşılaştırılmasından ilk önemli farkın; hızları olduğu bulunur. İki işlemci mimarisi arasındaki hız farkı, kullanılan komut işleme teknikleri sonucu oluşur. RISC işlemciler, genellikle aynı saat frekansında çalışan CISC işlemcilere göre daha hızlıdır.

Komut işleme tekniği: Mimariler arasındaki ikinci önemli fark; komut işleme tekniğidir.

• CISC işlemcilerde ‘kademeli komut işleme’ tekniği kullanılırken, RISC işlemcilerde ‘kanal komut işleme tekniği’ (pipeline) kullanılır. CISC tekniği ile aynı anda tek bir komut işlenebildiği ve komutun, işlenmesi bitmeden yeni bir komut üzerinde çalışmaya başlanamaz.
• RISC tekniğinde ise, aynı anda çok sayıda komut işlenmektedir. Komutların birbirini takip etmesi nedeni ile her bir komut bir birim uzunluktadır ve her işlem adımında bir komuta ait işlemler bitirilir.

Transistör sayısı: CISC ve RISC yapıları arasındaki üçüncü önemli fark; işlemcilerde kullanılan transistor sayısıdır. CISC işlemcilerde kullanılan transistor sayısı, RISC işlemcilere göre daha fazladır. Daha fazla sayıda transistor kullanılması, daha geniş alan gereksinimi ve daha fazla ısı ortaya çıkarır, Oluşan daha fazla ısı nedeniyle soğutma ihtiyacı ortaya çıkar ve soğutma işlemi, ısı dağıtıcısı veya fanlar kullanılarak gerçekleştirilir.

Donanımsal yapı (Tasarım şekli): İki mimari arasındaki bir diğer fark; donanımsal yapıları ve tasarım şekilleridir. RISC işlemciler, CISC işlemcilere göre daha basit yapıda olduklarından daha kolay tasarlanırlar.

Komut yapısı: RISC mimarisi, CISC’in güçlü komutlarından yoksundur ve aynı işlemi yapmak için daha fazla komuta gereksinim duyar. RISC mimaride aynı uzunlukta basit komutlar kullanılırken CISC mimaride karmaşık yapıda değişken uzunlukta komutlar kullanılır.