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Vous ne voulez pas RISCquer ? En apprendre plus sur les processeurs RISC


Qu’est ce qu’une architecture RISC ? Bref historique

Le « RISC », de l’acronyme anglais — reduced instruction set computer, désigne en russe « le jeu d’instructions réduit (limité) ».

Très souvent, les catalogues de produits de divers fabricants propose les noms ou les descriptions des produits avec une mention « sur la base du RISC ». Cette déclaration n'a pas pour but de décrire des fonctions ou caractéristiques spéciales des équipements. Elle ne concerne que l’un des éléments les plus importants de tout ordinateur, notamment son « cœur informatique », sans lequel aucun ordinateur au monde ne peut fonctionner. Lorsque le fabricant spécifie le « RISC », il ne suppose qu'une seule chose — le processeur.

L’architecture « RISC » est née au milieu des années 70–80. Les chercheurs de l'époque, en particulier les représentants du géant informatique IBM, ont constaté que la plupart des jeux d’instructions et des méthodes d'adressage direct n'était pas utilisée par les compilateurs utilisés à cette date (« collecteurs » du code source haut niveau du programme dans un programme en langage machine, « compréhensible » par l’ordinateur). En outre, il a été constaté que les programmes qui implémentent le jeu d'instructions des processeurs actuels traitent souvent les opérations complexes beaucoup plus lentement que les simples exécutant les mêmes actions. Le problème crucial consistait à optimiser le microcode d’un processeur. Pour résoudre les tâches simples, les processeurs d’alors étaient les appareils trop complexes qui comprenaient un grand jeu d'instructions dont la moitié n'était même pas initiée. Le traitement de toutes les instructions impactait, par conséquent, sur la puissance générale du processeur. Compte tenu de tous les inconvénients des processeurs d’alors, il a été décidé de développer une nouvelle architecture. L'objectif principal est de rendre les instructions du processeur si simples qu'elles se mettent en pipeline facilement et efficacement (technique de calcul dans les processeurs et les contrôleurs). Après quelques années de recherche, au début des années 80, plusieurs processeurs dont le nom général a donné le nom à toute l'architecture — RISC, ont vu le jour. La nouvelle architecture doit la vie à David Patterson, ingénieur américain, responsable du projet Berkeley RISC de 1980 à 1984. Ce projet a permis de développer les premiers processeurs sur la base de la nouvelle architecture — RISC I et RISC II.


De gauche à droite : David Patterson et Carlo Sekin, professeurs du Département « Génie électrique et sciences informatiques (EECS) », l’Université de Californie à Berkeley. Participants au projet « Berkeley RISC ». (référence)

Processeurs CISC et RISC. Attributs, avantages et inconvénients

Tous les processeurs dans le monde se divisent conventionnellement en deux types : le RISC (supra-cité) et le CISC. Qu’est-ce qu’un processeur CISC ? Le « CISC », de l’acronyme anglais complete instruction set computing, désigne « le jeu d’instruction étendu ».

Caractéristiques spéciales de l’architecture CISC:

  • grand jeu d'instructions de longueur et de format différents, matérialisées en plusieurs cycles du processeur central
  • commande logique programmable (codage des instructions)
  • adressage à deux adresses favorisé et mécanisme d’adressage évolué des opérandes (variable, objet de matérialisation des opérations dans le code)

Les processeurs CISC sont les processeurs dits « classiques ». Ils contiennent cent fois plus d'instructions que l'architecture RISC. Ils utilisent plus de méthodes d'adressage etc. Dans les années 80 et 90, la question « quel processeur est le meilleur ? » est sujet à débat dans le monde entier. D’un côté, les fournisseurs des processeurs RISC — Hewlett-Packard (PA-RISC), Sun Microsystems Computers (SPARC), Silicon Graphics (MIPS) (R210000), l’union IBM et Motorola (PowerPC), d’autre côté, Intel et AMD. La solution n'a pas été fournie par les arguments techniques des adversaires, mais par les avantages des technologies d'Intel et AMD. Mais, dès le début des années 2000, depuis l'avènement des solutions mobiles et le bond rapide de telles technologies, l'architecture RISC a repris les forces. Par ailleurs, plusieurs processeurs CISC actuels contiennent des unités et des modules d'instructions qui ne sont rien de plus qu'un processeur RISC.


Comparaison parlante des processeurs CISC et RISC. Le CISC est une grande Cadillac puissante avec les becquets épatants. Le RISC est une Porsche rapide, compacte et mobile. (Discours de David Patterson en 1985 référence).

ll n’est pas utile de s'étendre ici sur les caractéristiques techniques des processeurs RISC, les principes de base de l'architecture, les algorithmes logiques etc. L’Internet vous offre plusieurs articles à ce sujet en anglais comme en russe. Nous sommes intéressés tout d'abord par la réponse à une question — « Quel est le profit de l’utilisateur s’il achète une machine sur la base du processeur RISC ? » C'est cette question qui sert de base pour l’analyse des avantages et des inconvénients.

Avantages

  1. L'avantage principal et peut-être basique de l’ordinateur sur la base du processeur RISC est le prix. Ceci est principalement dû au fait que les jeux d'instructions des processeurs RISC sont simples et, par conséquent, leur matérialisation nécessite moins d'éléments logiques, ce qui impacte finalement sur le prix total du processeur. En outre, la fabrication des processeurs RISC ne nécessite pas de procédures techniques sophistiquées par rapport à CISC, et prend beaucoup moins de temps.
  2. Cadence de processeur générale. Ceci est principalement dû à un petit jeu d’instructions, de formats, de modes etc., ce qui simplifie le schéma de décodage, et le décodage devient plus rapide.
  3. Utilisation de la familles des systèmes d’exploitation Linux. On peut dire que le matériel basé sur le processeur RISC est idéal pour installer les systèmes d'exploitation Linux. Le bond de développement des processeurs de type RISC, surtout au cours de ces dernières années, est du à l'utilisation des logiciels open-source, qui a conduit, par la suite, à l'utilisation de diverses distributions pour des tâches différentes, fournies par différents architectes. En règle générale, tout fabricant du matériel basé sur les processeurs RISC peut fournir tous les pilotes nécessaires, même pour plusieurs distributions. Le kit SDK (software development kit) est en option.

Malheureusement, les inconvénients des processeurs RISC sont étroitement liés à leurs avantages.

Inconvénients

  1. Performances et fonctionnalités insuffisantes. Malgré leur vitesse, les processeurs RISC ne sont pas conçus pour des tâches sophistiquées et fastidieuses. Le matériel sur la base des processeur RISC n’est pas prévu pour traiter de grandes collections de données, les informations graphiques complexes, pour créer les environnements virtuels etc.
  2. Aujourd’hui, la plupart des logiciels est écrite pour les processeurs Intel et AMD. Par conséquent, pour être adapté à l'architecture RISC, le logiciel doit être recompilé ou réécrit à nouveau, ce qui conduit souvent au certaines difficultés, et parfois à des tâches irréalisables.
  3. Le jeu d'instructions réduit de l'architecture RISC conduit à des situations où plusieurs instructions sont nécessaires pour matérialiser plusieurs fonctions, tandis que pour l'architecture CISC une seule instruction est suffisante. Ce phénomène augmente non seulement le code programme, mais aussi le trafic d'instructions entre la mémoire et le processeur central. Les recherches menées ont permis de constater que la longueur du code programme de l'architecture RISC est de 30 % plus grande, en moyenne, que celle d'un programme analogue du CISC.

Un exemple de comparaison d'un code CISC et d'un code RISC.

Les principaux processeurs RISC Qu’est-ce qu’utilise l’industrie ?

Comme mentionné précédemment, aujourd'hui, le marché des processeurs de type RISC est toujours en développement. La majeure partie de ce segment, 80 à 90 %, est occupée par des processeurs de grande consommation. Sans doute, il s'agit de divers smartphones, tablettes, consoles de jeux etc. Tout appareil mobile qui nécessite un processeur est susceptible à 90 % d'utiliser la puissance de calcul du processeur de type RISC. Mais peut-être, n'en avez-vous pas entendu parler, et le terme « de type RISC » lui-même conduit à des questions supplémentaires. Le terme « les processeurs de type RISC » est à plusieurs reprises mentionné dans cet article. Qu’est-ce que cela veut dire ? Les processeurs de type RISC sont les processeurs dont l'architecture se base sur les principales idées des premiers processeurs RISC, mais ils ont acquis ensuite leurs propriétés et caractéristiques uniques et ils se sont développés de leur propre manière. Les architectes de ces processeurs ont été inspirés par l’idée du projet « Berkeley RISC ». Les architectures des processeurs de type RISC les plus connues sont ARM, MIPS, SPARK. Certainement, il en existe d'autres, moins connus ou utilisés uniquement dans des domaines spéciaux, tels que SuperH (SH), PowerPC, AVR et autres. Même Intel et AMD ont développé autrefois leur propre architecture sur la base du cœur RISC — Intel P5/P6 et AMD K5/K6/K7. Toutefois, il est à noter que ces entreprises ne sont que les concepteurs et titulaires des licences des dispositifs à microprocesseurs, mais elles ne disposent pas de leurs capacités de production. Par exemple, les titulaires de licence de l'architecture ARM sont les fabricants mondiaux bien connus tels que AMD, Apple, Samsung, Qualcomm, Sony, HiSilicon et bien d'autres. En conséquence, les processeurs actuels tels que Snapdragon 865, Kirin 980, Samsung Exynos Octa 990 et Apple A12Z sont développés sur la base du microprocesseur ARM. Les fabricants, les plus connus utilisant l'architecture MIPS pour leurs processeurs, sont Realtek, Broadcom, Atheros, ATI, Toshiba et la société russe T-Platform, qui utilise des cœurs de processeur P5600 de l'architecture MIPS32 Release 5 pour le processeur Baikal-T1. Nous pouvons constater que le marché des processeurs de type RISC de grande consommation est assez grand, et il est possible de trouver des solutions pouvant satisfaire à toutes les tâches. Et qu’est-ce qui se passe au niveau industriel ?

Particularités des PC RICS industriels

Le développement des processeurs de type RISC pour l’industrie est sans rapport avec le marché de grande consommation. Cela est principalement dû à la demande réduite aux appareils avec ce type de processeur. Si le fabricant a une alternative, il peut implémenter dans son appareil un cœur de processeur prêt à l'emploi d'un architecte tiers, et puis optimiser tout simplement le logiciel. C'est le cas le plus pratique. Le processeur le plus utilisé dans ce contexte est Cortex, qui est un processeur d'architecture ARM de l’architecte ARM Holdings. Il est plus difficile d’avoir votre propre processeur, dont le développement et la conception dépendent entièrement du fabricant lui-même. L'un de tels fabricants est la société DMP, qui produit sa propre gamme de processeurs appelés Vortex86. Les processeurs Vortex86 sont les processeurs dits « le système sur une puce » (de l’acronyme anglais System-on-a-Chip, SoC), c’est-à-dire, une puce qui comprend le CPU, le North Bridge et le South Bridge.


Diagramme de blocs du processeur Vortex86DX3.

La société iCOP, la division du fabricant DMP, utilise cette famille de processeurs pour développer et produire les équipements industriels de différentes formes. La société produit trois gammes principales, chacune comprenant diverses configurations et fonctionnalités pour les tâches de toute la complexité.

Produits ICOP Technology.

Quels sont les principaux avantages des PC RICS industriels ? On va les citer point par point :

  • Prix. Le prix de l’équipement informatique industriel basé sur un processeur de type RISC sera toujours inférieur à celui de l’équipement analogue, mais basé sur les processeurs Intel ou AMD. Les arguments clé ont déjà été avancés. Dans ce cas, peu importe s’il s’agit du marché de grande consommation ou du marché industriel.
  • Support de longue durée. Cela signifie que le fabricant du processeur de type RISC ne dépend pas des décisions de la confrérie mondiale et des tendances du marché de grande consommation. Le constructeur ne se repère qu’au marché industriel et peut se guider par les règles de production prévues pour un tel ou tel modèle de processeur, sous réserve d’utilisation uniquement pour un seul projet. Dans ce cas, il devrait s'agir d'un projet assez important, mais la décision est prise à titre personnel lors des négociations avec l'utilisateur final. La durée de ce support peut varier entre 15 et 20 ans.
  • Fonctionnement à très basse température. C'est l'un des principaux avantages des processeurs de type RISC pour l'industrie. Avec sa vitesse suffisante, sa faible extraction de chaleur et son architecture, les équipements basés sur les processeurs de type RISC fonctionnent et s’adaptent au fonctionnement à très basse température.
  • Possibilité de développer les logiciels avec le support du fabricant du processeur. En cas d'utilisation d’un système d'exploitation basé sur une distribution Linux, les jeux d'instructions simples dont la matérialisation est assez rapide, rendent l'adaptation du logiciel pour un processeur de type RISC beaucoup plus facile. Cet avantage est réuni avec la possibilité d'écrire les programmes pour Linux dans presque tous les langages de programmation, de Java et Python au C ++.
  • Configuration variable et développement des conceptions « clé en mains ». On peut dire que l'intérêt principal des fabricants des processeurs de type RISC est de proposer des solutions hors-série, originales et développées souvent uniquement pour les besoins spéciaux. Par exemple, même sur la base de quelque carte de série, basée sur le processeur Vortex86, le fabricant est disposé à créer un appareil qui ne supporte que les fonctions nécessaires au client.

Particularités des PC RICS industriels

Depuis sa création et jusqu’à nos jours, l'évolution des processeurs RISC connait un bond énorme et le potentiel de leur développement ultérieur est encore très important. Il semble que très peu de temps se soit écoulé entre la création des processeurs spéciaux suite aux programmes de recherches confidentiels et la base informatique de millions d'appareils dans le monde, mais ce créneau montre clairement qu’il s’agit d’une idée technique géniale impactant énormément sur le développement de toute l'industrie informatique.

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