Двома основними архітектурами набору команд, що використовуються сучасною комп‘ютерною промисловістю є архітектури CISC та RISC. Винахідником архітектури CISC можна вважати компанію IBM з її серією /360, ядро якої використовується з 60-х років і у теперішній час у машинах серії ES/9000.
Лідером в розробці мікропроцесорів з повним набором команд (CISC – Complete Instruction Set Computer) вважається компанія Intel із серією Pentium. Ця архітектура практично є стандартною для ринку мікрокомп‘ютерів. Характерні ознаки CISC-процесорів: невелика кількість регістрів загального призначення; велика кількість машинних інструкцій, деякі з них навантажені семантичним значенням подібним до операторів високорівневих мов програмування, які виконуються за декілька тактів; велика кількість методів адресації; велика кількість форматів команд різної розрядності; перевага двоадресного формату команд; наявність команд обробки типу регістр-пам‘ять.
Основою архітектури сучасних робочих станцій та серверів є архітектура із скороченим набором команд (RISC – Reduced Instruction Set Computer). Ця архітектура базується на комп‘ютерах серії CDC6600, розробники якої (Торнтон, Крей та інші) вважали за доцільне спростити набір команд процесора для підвищення швидкодії. Кінцеве формування поняття RISC архітектури сформувалось на базі 3 проектів: процесора 801 компанії IBM, процесора RISC університету Берклі, процесора MIPS Стенфордського університету.
Розробка експериментального проекту почалася компанією IBM в кінці 70-х років, але його результати опубліковано не було і комп‘ютер на його основі в промислових масштабах не використовувався. У 1980 р. Д. Паттерсон зі своїми колегами з Берклі почали свій проект і виготовили 2 машини, які мали назву RISC-I та RISC-II. Головною ідеєю цих машин було відокремлення повільної пам‘яті від швидких регістрів та використання регістрових вікон. У 1980 р. Дж. Хеннессі зі своїми колегами опублікував опис стенфордської машини MIPS, основним аспектом розробки якої була ефективна реалізація конвеєрної обробки за допомогою планування команд компілятором.
Ці три машини мали багато спільного. Усі вони дотримувались архітектури, що відокремлювала команди обробки від команд роботи з пам’яттю та робили акцент на ефективну конвеєрну обробку. Система команд була реалізована таким чином, що виконання кожної команди займало невелику кількість машинних тактів. Логіка виконання команд з метою підвищення швидкодії базувалась на апаратній, а не на мікропрограмній реалізації. Щоб спростити декодування, використовувались команди фіксованої довжини та фіксованого формату.
Інші особливості архітектури RISC: великий об‘єм регістрового файлу (у сучасних процесорах по 32 регістра цілочисельних та математичних), що спрощує роботу компілятора по розміщенню даних в регістрах. Для обробки як правило використовуються трьоадресний формат команд.
Під час закінчення університетських проектів (1983-1984 рр.) намітився технологічний прорив у виготовленні надвеликих інтегральних мікросхем. Простота архітектури та її ефективність викликали велику зацікавленість у комп‘ютерній індустрії і починаючи з 1986р. RISC системи почали розроблятися промислово. У теперішній час ця архітектура переважає у робочих станцій та серверів.
Розвиток архітектури RISC у значному ступеню визначався розвитком технології оптимізації компіляторів. Саме сучасна техніка оптимізації дозволяє використати оптимально регістровий файл процесора. Сучасні компілятори також використовують технологію затриманих переходів, що дозволяє в один момент часу виконувати декілька команд.
Слід зауважити, що у останніх розробках компанії Intel а також у її конкурентів (AMD, Cyrix, NexGen) широко використовуються ідеї RISC-процесорів, таким чином різниця між цими двома архітектурами поступово зникає.
Розроблювачі архітектури комп‘ютерів завжди вживали методи, відомі під загальною назвою "суміщення операцій", при якому апаратура комп‘ютера у будь-який момент часу виконує більше ніж 1 базову операцію. Цей загальний метод включає два поняття: паралелізм та конвеєризацію. При паралелізмі суміщення операцій досягається за рахунок одночасного виконання операцій у декількох копіях апаратної структури.
Конвеєризація (або конвеєрна обробка) у загальному випадку основана на розділенні функції на дрібні частини, що називаються етапами та виділенні для кожної з них окремого блока апаратури. При цьому дані передаються від попереднього етапу до наступного. При цьому конвеєрну обробку можна використовувати для суміщеної обробки етапів різних команд. Швидкодія зростає за рахунок того, що одночасно виконуються декілька етапів різних команд. Така обробка застосовується у всіх типах сучасних швидкодіючих процесорів.
Далі для ілюстрації принципів роботи процесорів будемо розглядати найпростішу архітектуру: 32 цілочисельних регістра R0 – R31, 32 регістра для роботи з плаваючою комою F0 – F31 та вказівник команд РС. Будемо вважати, що набір команд такого процесора включає арифметичні та логічні операції, операції з плаваючою комою, операції пересилки даних, операції керування потоком команд та системні операції. У арифметичних командах використовується троьхадресний формат, типовий для RISC-процесорів, а для звернення до пам‘яті використовуються операції завантаження та запису вмісту регістру в пам‘ять.
Виконання типової команди можна розділити на такі етапи:
- вибір команди (IF) з адреси, на яку вказує вказівник команд;
- декодування команди / вибір операндів з регістрів (ID);
- виконання операції / обчислення ефективної адреси у пам‘яті (EX);
- звернення до пам‘яті (MEM);
- запис результату (WB).
Розглянемо схему виконання команд на найпростішому процесорі без використання конвеєра (нехай на виконання команди потрібно 5 тактів):
| Номер команди | Номер такту | |||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |
| I | х | х | х | х | х | |||||
| I + 1 | х | х | х | х | х | |||||
Як бачимо, для виконання двох команд знадобилось 10 тактів, тобто загальна кількість тактів необхідна для виконання фрагменту з N машинних команд буде N*M, де М – кількість тактів, необхідних для виконання однієї команди. Для того, щоб застосувати конвеєризацію, потрібно розділити виконання команд на означені етапи. Хоча у такому випадку час обробки однієї команди все рівно буде складати 5 тактів, апаратура процесора одночасно буде виконувати 5 команд:
| Номер команди | Номер такту | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| I | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||
| I + 1 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||
| I + 2 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||
| I + 3 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||
| I + 5 | IF | ID | EX | MEM | WB | ||||
Як бачимо, конвеєризація збільшує пропускну здатність процесора (кількість виконаних команд за одиницю часу), не зменшуючи час виконання однієї команди. Але збільшення пропускної здатності означає, що програма буде виконуватись швидше, ніж при використанні простої неконвеєрної схеми.
Той факт, що час виконання однієї команди не зменшується накладає деякі обмеження на практичну довжину конвеєра. Частота синхронізації не може бути вища, а звідси такт синхронізації не може бути менше, ніж час, необхідний для роботи найповільнішого етапу конвеєра. Накладні витрати при організації конвеєра виникають внаслідок затримки сигналів в конвеєрних регістрах. Конвеєрні регістри до довжини такту додають час встановлення та затримку розповсюдження сигналів.
При реалізації конвеєрної архітектури виникають ситуації, які перешкоджають виконанню наступної команди:
1.Структурні конфлікти, які виникають внаслідок конфліктів по ресурсах, коли апаратні засоби не можуть підтримувати всі комбінації команд у режимі одночасного виконання із суміщенням;
2.Конфлікти по даних, що виникають у випадку, коли виконання наступної команди залежить від результатів виконання попередньої;
3.Конфлікти по керуванню, які виникають при конвеєризації команд переходів які змінюють значення вказівника команд.
Конфлікти у конвеєрі призводять до необхідності призупинки виконання команд (pipeline stall). У найпростіших конвеєрах якщо зупиняється виконання однієї з команд, зупиняється виконання всіх наступних команд. Команди, які слідують перед командою, що викликала призупинку, продовжують виконуватися, але під час зупинки жодна нова команда не вибирається.
Суміщений режим виконання команд потребує конвеєризації функціональних пристроїв та дублювання ресурсів для дозволу всіх можливих комбінацій команд в конвеєрі. Якщо деяка команда не може бути прийнята внаслідок конфлікту по ресурсах, то кажуть, що в машині присутній структурний конфлікт. Найбільш типовим прикладом машин, в яких можлива поява структурних конфліктів є машини з не повністю конвеєрною архітектурою. В цьому випадку команди, які використовують вказаний функціональний пристрій, не можуть поступати до нього у кожному такті. Час роботи такого пристрою може складати декілька тактів синхронізації конвеєра. Інша можливість появи структурних конфліктів пов‘язана з недостатнім дублюванням деяких ресурсів, що не дозволяє виконання довільної послідовності команд в процесорі без його затримки. Коли послідовність команд призводить до такого конфлікту, процесор зупиняє обробку однієї з команд доти, доки пристрій не звільниться.