Dvě současné dominantní architektury: x86 a ARM

Třetí velká procesorová architektura přichází • 21. září 2024 • Autor: Michal Rybka

Světu dnes dominují dvě velké rodiny procesorových architektur, které se liší nejen instrukcemi a filozofií návrhu, ale také mají různá použití. Mimo ně existuje celá řada dalších architektur, některé jsou experimentální, jiné dožívají v mikrokontrolérech, protože jsou osvědčené a ve svých oblastech stále užitečné.

Procesorové architektury? Dominantní architektury Autorskoprávní peklo Proč vznikl RISC-V? Proč je RISC-V důležitý pro Čínu

Mikrokontroléry Návrh RISC-V Vývojové kity „Otevřená“ architektura RISC-V? Budoucnost

Historický vývoj a základní rozdíly

Opravdu širokého úspěchu se však dočkaly dvě rodiny architektur. První a pro majitele počítačů známější je x86, kterou začal vyvíjet Intel v roce 1978. Na jejím rozvoji se také významně podílelo AMD, které v roce 2003 přineslo její rozšíření x86-64, jež používáme dodnes. Druhou velmi úspěšnou rodinou je ARM, který vyvinula firma Acorn Computers v roce 1985. V obou případech se vývoj odvíjel od 16bitových procesorů přes 32bitové až po moderní 64bitové procesory – a počet jejich instrukcí se stále zvyšoval.

CISC vs. RISC: Rozdílné přístupy k instrukcím

Dnes má x86 obrovské množství instrukcí, protože tato architektura patří mezi CISC (Complex Instruction Set Computer). Jak počet instrukcí i jejich variant narůstal, dosáhl neuvěřitelných čísel. Podle výzkumu z University of Nebraska činí počet jednotlivých variant instrukcí x86-64 až 3684. Tento počet zahrnuje nejen samotné instrukce, ale i jejich varianty, například různé operace s jinými páry registrů. Mnoho instrukcí, které mění práci s pamětí, se už dnes nepoužívá, ale procesory je stále podporují kvůli zpětné kompatibilitě.

Procesory z rodiny ARM patří mezi architektury RISC (Reduced Instruction Set Computer) a podle technických manuálů mají nyní 232 instrukcí, což je významně méně než u x86. Tento počet však nezahrnuje rozšířené instrukce, které si do designu procesorů přidávají jednotliví výrobci, například Apple.

Technicky vzato i moderní procesory x86 fungují na principu RISC (označují se jako x86-RISC). Z hlediska překladače se sice tváří jako CISC, ale uvnitř procesoru se instrukce převádějí pomocí mikrokódu do mikroinstrukcí, které se zpracovávají jako v architektuře RISC. Toto řešení umožňuje zachovat zpětnou kompatibilitu, aniž by si překladače nebo programátoři všimli rozdílu. Moderní procesory x86 tak dosahují podobné účinnosti jako procesory RISC, i když s určitým penále za složitou řídicí logiku potřebnou pro překlad do mikroinstrukcí.

Optimalizace a praktické využití architektur

Zásadní rozdíl mezi architekturami RISC a CISC spočívá v tom, že RISC klade velký důraz na optimalizaci na straně překladače, což bývá často problém. Překladače z vyšších jazyků mají řadu omezení, například nejsou schopny odhadnout, zda bude mít procesor v daném okamžiku potřebná data k dispozici. Tento nedostatek zničil mnoho ambiciózních architektur, jako byl Intel Itanium. Dnes se zdá, že strategie, kdy si procesor sám optimalizuje vykonávání instrukcí, funguje lépe ve světě Windows.

Aby RISC fungoval opravdu efektivně, musí být celý operační systém i aplikace napsány s ohledem na schopnosti procesorů s RISC architekturou, jak to udělal například Apple s macOS pro čipy Apple Silicon. U systémů, které se opírají o starý kód, jako jsou Windows, stále dominují procesory x86, protože dokážou samy provádět řadu optimalizací a tím zajistit dobrý výkon. Intel i AMD průběžně sledují důležité programy a zkoumají, jak využívají jednotlivé instrukce jejich procesorů, aby nové architektury „ladili“ a optimalizovali výkon svých procesorů.

Procesory

Michal Rybka

Michal Rybka je publicista a nadšenec s 20 lety zkušeností v IT a gamingu. Je kurátorem AlzaMuzea a YouTube kanálu AlzaTech. Napsal několik fantasy a sci-fi povídek, které vyšly v knižní podobě, a pravidelně pokrývá páteční obsah na internetovém magazínu PCTuning.