05 - Arquitectura - Cisc Vs Risc 721g5u

CISC vs

RISC Arquitectura de Computadoras Ing. Angel Plaza

Tipos de Procesadores  En los últimos años se han distinguido dos grandes

tendencias en la construcción de procesadores.  Se diferencian esencialmente en las características de

su repertorio de instrucciones.  Procesadores CISC  Complex Instruction Set Computer.  Computadoras con un Conjunto de Instrucciones Complejos.

 Procesadores RISC  Reduced Instruction Set Computer.  Computadoras con un conjunto de instrucciones reducidos.

Tipos de Procesadores  Ambos tipos de micro Procesadores han incluido un

conjunto de unidades funcionales adicionales que los potencia:  Unidad para el procesamiento aritmético en Punto

Flotante (FPU: Floating Point Unit).  Unidad de istración de Memoria (MMU: Memory

Management Unit).  Unidad de Carga y Almacenamiento (Load/Store).  Funciones de control de memoria caché.  Implementación de un conjunto de registros múltiples.

Tipos de Procesadores • La meta principal es incrementar el rendimiento del procesador. • Para esto se deben considerar tres áreas principales. • La arquitectura. • La tecnología de proceso. • El encapsulado.

La tecnología de proceso, se refiere a los materiales y técnicas utilizadas en la fabricación del circuito integrado. El encapsulado se refiere a cómo se integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de alguna manera determina la velocidad total del sistema.



Lenguaje

Programación en Lenguaje de alto nivel.

Compilador

Programación

Lenguaje

Programa Ensamblador (Instrucciones de Maquina)

Máquina Hardware de Computadora



Computer CISC

Programación en Lenguaje de alto nivel.

Compilador

Programa Ensamblador (Instrucciones de Maquina)

Computer RISC Hardware de Computadora

Al principio, la memoria era costosa

Objetivo: Minimizar los programas (en memoria)

La microprogramación facilita la construcción de funciones más complejas

Lenguaje máquina más potente (y complejo) Los programas constan de menos instrucciones

 Ocupan menos memoria ADEMÁS, se acorta la distancia con los lenguajes de alto nivel

 Menos tiempo de a memoria Es más fácil construir compiladores

Breve descripción del procesador CISC • Cada instrucción de máquina es interpretada por un microprograma alojado en memoria de solo lectura. • Para ejecutar una instrucción son necesarios. varios ciclos de reloj. • Utiliza formatos de instrucción variables. • Facilitar la construcción de compiladores para lenguajes de alto nivel.

Los Procesadores CISC 

Tienen un conjunto de instrucciones alto (entre 200 y 300); estas instrucciones son más complejas que las de RISC, con lo que la circuitería necesaria para decodificación y secuenciación también aumenta, y la velocidad del proceso disminuye.



Formato de instrucciones bastante variable (no hay tamaño fijo de instrucciones).



El diseño hace que el procesador tenga que realizar constantes s a memoria.



La microprogramación es una característica importante y esencial de casi todas las arquitecturas CISC. Como por ejemplo:  Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, etc.

 Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 68040.

La microprogramación  La microprogramación significa que cada instrucción de

máquina es interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el circuito integrado del procesador.  Permite la emulación de arquitecturas.  Los procesadores se dotaron de poderosos conjuntos de

instrucciones.  En la década de los sesenta, la microprogramación, por

sus características, era la técnica más apropiada para las tecnologías de memorias existentes en esa época y permitía desarrollar también procesadores compatibles.

La microprogramación

 Las

instrucciones compuestas son decodificadas internamente y ejecutadas con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna.

 Para esto se requieren de varios ciclos de reloj (al

menos uno por microinstrucción).

RISC Computadoras con un Conjunto de Instrucciones Complejas

Arquitectura de Computadoras Ing. Angel Plaza

Características de la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer) • Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos. • Las operaciones aritméticas son entre registros. • Tendencia a tener un gran número de registros. • Utilización de compiladores optimizados. • Arquitectura RISC predomina en los procesadores de elevado rendimiento. • Uso intensivo de registros, disminuyendo los s a memoria. • Ejecución en conductos (Pipeline).

Características de la arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer) • Arquitectura del tipo load-store (Carga y almacena) son las únicas que acceden a la memoria por datos. • Ejecución dentro de un ciclo de reloj (single-cycle).

Los Procesadores RISC  Su juego de instrucciones es más reducido (menos de

128), y las instrucciones son más sencillas (con lo que se necesitarán más instrucciones para ejecutar un programa).  El formato de instrucciones es fijo (o son pocos

formatos) con lo que el control de hardware es más sencillo y se facilita la puesta de las instrucciones en la memoria, lo que implica que los s a la memoria se aceleren.  Por otra parte, estos s a memoria son menos

frecuentes ya que el procesador posee un mayor número de registros.

Los Procesadores RISC  Estos procesadores son los que están presentes en las

estaciones de trabajo. Como ejemplos podemos citar a los procesadores:  ALPHA de Digital Equipment, y  UltraSPARC y MicroSPARC de Sun Microsystems.  Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones

simplificado, éstas se pueden implantar por hardware directamente en la U, lo cual elimina el microcódigo (microprogramación) y la necesidad de decodificar instrucciones complejas.

Características comunes de los Procesadores RISC 



Modelo de conjunto de instrucciones Load/Store (Cargar/Almacenar).  Sólo las instrucciones Load/Store acceden a memoria; las demás operaciones en un RISC, tienen lugar sobre datos residentes en su gran conjunto de registros. Arquitectura de tres direcciones no destructiva.  Los procesadores CISC destruyen la información que existe en alguno de los registros, como consecuencia de la ejecución normal de instrucciones; esto es debido a su arquitectura de dos direcciones, por la cual el resultado de una operación sobrescribe uno de los registros que contenía a los operandos.  Por el contrario, las instrucciones RISC, con tres direcciones, contienen los campos de los dos operandos y de su resultado.  Tanto los operandos origen como el destino, son mantenidos en los registros tras haber sido completada la operación.

Características comunes de los Procesadores RISC 

Instrucciones simples, de formato fijo, con pocos modos de direccionamiento.  Las instrucciones simples reducen de manera muy significativa el esfuerzo para su decodificación, y favorecen su ejecución en pipelines.  Las instrucciones de longitud fija, con formatos fijos, implican que los campos de códigos de operación (opcodes) y de los operandos están siempre codificados en las mismas posiciones, permitiendo el a los registros al mismo tiempo que se está decodificando el código de operación.

Características comunes de los Procesadores RISC  Todas las instrucciones tienen una longitud equivalente a una

palabra y están alineadas en la memoria en palabras, ya que no pueden ser repartidas en pedazos que puedan estar en diferentes páginas.  Ausencia de microcódigo.  El microcódigo no se presta a la ejecución en ciclos únicos, ya

que requiere que el hardware sea dedicado a su interpretación dinámica.  La programación en microcódigo no hace que el software sea

más rápido que el programado con un conjunto de instrucciones simples.  Todas las funciones y el control, en los procesadores RISC, están

"cableados" (hardwired), para lograr una máxima velocidad y eficiencia.

Características comunes de los Procesadores RISC  Ejecución en pipelined.  Las instrucciones simples, de formato fijo y ciclo único permiten

que las diferentes etapas de los ciclos de ejecución (búsqueda o fetch, decodificación, ejecución, y escritura del resultado) para instrucciones múltiples, se puedan realizar simultáneamente, de un modo más simple y eficaz.  Ejecución en ciclos únicos (single-cycle).  El resultado directo de los conjuntos de instrucciones que ofrecen

los procesadores RISC, es que cada instrucción puede ser ejecutada en un único ciclo de la U.

Pipeline (Segmentación Encausada) Secuencia normal de ejecución de instrucciones de la máquina de F. Newmann

Pipeline (Segmentación encauzada)

Pipeline (Segmentación Encausada) Lavado = 30 Minutos Secado= 45 minutos Planchado =30 minutos

105 m 315 m

150 m

Ciclos

ADD

SUB ST XOR AND

1

2

3

4

5

6

7

8

IF

DEC

EXE

MEM

W

IF

DEC

EXE

MEM

W

IF

DEC

EXE

MEM

W

IF

DEC

EXE

MEM

W

IF

DEC

EXE

MEM

9

W

10

Add

RegDst Branch MemRead MemtoReg Control ALUop MemWrite ALUSrc RegWrite

4 Instrucción (31-26)

PC

Leer dirección

Instrucción (25-21)

Leer Lect. registro 1 dato 1 Leer Lect. registro 2 dato 2

Instrucción (20-16)

Instrucción (31-0)

0 M U Instrucción X (15-11)

Escribir registro Escribir dato

1

Memoria de Instrucciones

Instrucción (15-0)

16

Signo extendido

Instrucción (5-0)

Desplz. izda. 2

ALU

0 M U X 1

Memoria de datos ALU 0 M U X 1

32

ALU control

Leer dirección Escribir dirección

Escribir dato

Lect. dato

0 M U X 1

La Power Mac G5 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Doble bus frontal bidireccional Controladora del sistema Gráficos PCI Express Memoria principal DDR2 a 533 MHz Ampliación PCI Express Doble Ethernet Gigabit SuperDrive compatible con discos de doble capa Almacenamiento Serial ATA E/S integradas

Costo razonable.  Destino del equipamiento  Software  Compatibilidad hacia atrás  Desarrollo de software  Evolución dinámica del mercado y la tecnología 

La filosofía CISC • El objetivo principal de la arquitectura CISC es completar una tarea en el menor número de líneas de código ensamblador posibles. Este objetivo es conseguido mediante la construcción de un microprocesador capaz de comprender y ejecutar una serie de operaciones complejas. • Para esta tarea en particular, un procesador CISC vendría preparado con una instrucción específica (la llamaremos "MULT"). • Cuando se ejecuta, esta instrucción lee los dos valores de memoria, multiplica los operandos en la unidad de ejecución, y después almacena el resultado en la posición de memoria adecuada. • De esta manera, la tarea completa de multiplicar dos números puede ser llevada a cabo con una única instrucción: MULT (2:3), (5:2)

Fundamentos y origen del RISC Los titulares que definen la arquitectura RISC, podría resumirse, con la suficiente flexibilidad, en varios puntos : 1. Reducción del numero de instrucciones ( ensamblador ). 2. Uso intensivo de registros, disminuyendo los s a memoria. 3. Simplificación de la U en aras de una mayor velocidad de proceso. 4. Empleo de memorias cache. 5. Utilización de "compiladores optimizados", generadores de código objeto adaptado a los requerimientos de la U

La filosofía RISC • Los procesadores RISC sólo usan instrucciones sencillas que se puedan ejecutar rápidamente. • Por este motivo suelen ser arquitecturas basadas en registros de propósito general que operan siempre sobre operandos que se encuentran almacenados en el procesador, cerca de la unidad de ejecución. • Para realizar la serie de pasos descritos en la filosofía CISC, un programador debería codificar la instrucción en 4 líneas de código ensamblador:

LOAD A, (2:3) LOAD B, (5:2) PROD A, B STORE (2:3), A

La filosofía RISC De esta forma, el comando "MULT" descrito más arriba podría ser dividido en tres comandos por separado: • "LOAD", que mueve datos del banco de memoria a un registro. • "PROD", que halla el producto de dos operandos situados en los registros. • "STORE", que mueve datos de un registro al banco de memoria. • A primera vista, puede parecer una manera mucho menos eficiente de completar la operación. Debido a que hay más líneas de código, hace falta más RAM para almacenar las instrucciones en ensamblador. El compilador debe realizar también más trabajo para convertir un lenguaje de alto nivel en código.

Características

CISC

RISC

Tamaño de la instrucción

Varios

Tamaño único, normalmente 32 bits

Registros

Pocos y a veces especializados

Muchos de uso general

Instrucciones

Complejas de multi-clock

Solo-reloj, solamente instrucción reducida

Carga y Almacenamiento

Se usa concepto memoria a memoria, la carga y almacenamiento se incorporaron en las instrucciones

Se usa concepto registre para registrar, la carga y almacenamiento son instrucciones independientes

Hardware y Software

Énfasis en el hardware

Énfasis en el software

Código

Tamaño pequeño de códigos, altos ciclos por segundo

Bajos ciclos por segundo. Tamaño grande o extenso de código

Transistores

Los transistores se usaron para las instrucciones complejas de almacenamiento

Se utilizaron más transistores en el registro de memoria

CISC

RISC

Características

IBM 730/168

VAX 11/780

INTEL 80486

SPARC

MIPS R4000

Año de desarrollo

1973

1978

1989

1987

1991

Número de Instrucciones

208

303

235

69

94

Tamaño de la instrucción (en bytes)

2-6

2-57

1-11

4

4

Modo de direccionamiento

4

22

11

1

1

Número de registros de uso general

16

16

8

40-520

32

Tamaño de la Memoria de Control (en kbytes)

420

480

246

-

-

Tamaño del cache (kbytes)

64

64

8

32

128







A mayor integración y mayor velocidad de los componentes, aparecen los RISC mas complejos. Al mismo tiempo, los arquitectos CISC utilizan tecnologías tradicionalmente asociadas a los RISC, tales como pipeline, alto número de registros de propósito general, etc. Aparecen microprocesadores de 64 bits superescalares, altamente segmentados, muchos registros de propósito general.

•

El desempeño de los computadores determina la clase de problemas que se pueden resolver.

•

Existen problemas tan complejos y de gran tamaño (cantidad de datos), que su solución podría tomar mucho tiempo (días, meses, años).

•

Algunas áreas con fuerte demanda por la computación de alto desempeño son: – Química molecular. – Astrofísica. – Genética. – La carrera espacial. – Computación gráfica.

– Geometría Computacional. – Bases de Datos Masivas (Data Warehouse). – Simulaciones. – Búsqueda Web, etc.

TALLER EN CLASE • REALIZAR UNA INFOGRAFIA DE LAS CARACTERISTICAS DE PROCESADORES CISC. • REALIZAR UNA INFOGRAFIA DE LAS CARACTERISTICAS DE PROCESADORES RISC. • REALIZAR UNA INFOGRAFIA DE LAS DIFERENCIAS DE CISC vs RISC.

Deber • Del archivo en PDF subido en Facebook: • hpca13-isa-power-struggles – –

(Power Struggles: Revisiting the RISC vs. CISC Debate on Contemporary ARM and x86 Architectures) (Análisis RISC vs CISC - Debate en ARM contemporáneo y arquitecturas x86)

• Realizar un resumen en PPT. – Determinar cuales son las características técnicas a comparar. – Que características favorecen a CISC. – Que características favorecen a RISC. – Es importante la explicación y entendimiento de los gráficos.