Clasificación de Computadoras RISC – CISC

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Investigación de la materia Arquitectura de Computadoras en la Licenciatura de Ciencias Computacionales - UJAT

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universidad juárez autónoma de tabasco división académica de ciencias básicas asignatura arquitectura de computadoras l investigación clasificación de computadoras risc ­ cisc catedrático l.c rafael chablé candelero estudiante ernesto moreno rodríguez noviembre 2011

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Índice introducción 3 arquitectura de computadora de tipo cisc y de tipo risc comparación del desempeño de la arquitectura de tipo risc y de tipo cisc 11 5 unidades centrales de procesamiento risc y cisc 13 organización del control 13 procesadores de conjunto de instrucciones complejo 15 modificaciones de la isa 17 recientes innovaciones arquitecturales 19 conclusión 21 bibliografías 23

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arquitectura de computadoras l introducción veamos primero cual es el significado de los términos cisc y risc cisc complex instruction set computer computadoras con un conjunto de instrucciones complejo risc reduced instruction set computer computadoras con un conjunto de instrucciones reducido los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre los dos modelos de arquitectura para microprocesadores solo de forma superficial se requiere de muchas otras características esenciales para definir los risc y los cisc típicos aún más existen diversos procesadores que no se pueden asignar con facilidad a ninguna categoría determinada así los términos complejo y reducido expresan muy bien una importante característica definitiva siempre que no se tomen solo como referencia las instrucciones sino que se considere también la complejidad del hardware del procesador con tecnologías de semiconductores comparables e igual frecuencia de reloj un procesador risc típico tiene una capacidad de procesamiento de dos a cuatro veces mayor que la de un cisc pero su estructura de hardware es tan simple que se puede realizar en una fracción de la superficie ocupada por el circuito integrado de un procesador cisc esto hace suponer que risc reemplazará al cisc pero la respuesta a esta cuestión no es tan simple ya que para aplicar una determinada arquitectura de microprocesador son decisivas las condiciones de realización técnica y sobre todo la rentabilidad incluyendo los costos de software 3

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arquitectura de computadoras l existían y existen razones de compatibilidad para desarrollar y utilizar procesadores de estructura compleja así como un extenso conjunto de instrucciones la meta principal es incrementar el rendimiento del procesador ya sea optimizando alguno existente o se desee crear uno nuevo para esto se deben considerar tres áreas principales a cubrir en el diseño del procesador y estas son 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 aunque la tecnología de proceso y de encapsulado son vitales en la elaboración de procesadores más rápidos es la arquitectura del procesador lo que hace la diferencia entre el rendimiento de una cpu control process unit y otra y es en la evaluación de las arquítecturas risc y cisc donde centraremos nuestra atención 4

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arquitectura de computadoras l arquitectura de computadora de tipo cisc y de tipo risc las arquitecturas de computadoras con conjunto complejo de instrucciones cisc y de computadora con conjunto risc son dos formas de diseñar una unidad central de procesamiento cpu el segundo tipo de diseño surge como reacción a la proliferación de grandes y complejos conjuntos de instrucciones en la unidad central de procesamiento durante las décadas de 1970 y 1980 a la categoría cisc pertenecen el sistema/390 de ibm y las familias intel x86 muchas de las unidades centrales de procesamiento nuevas pueden describirse como risc por ejemplo los procesadores rt de ibm el sparc de sun las unidades centrales de procesamiento cpu de powerpc construidas por motorola e ibm que se utilizan en power macintosh y en powerpc así como de los procesadores de millones instrucciones por segundo mips hoy es importante conocer las diferencias las ventajas y las desventajas de esta arquitectura en comparación con la más tradicional a menudo llamada cisc conviene aclarar que ambas modalidades son compatibles con las características generales que definen una computadora de von neumann la arquitectura de la computadora con conjunto de reducido de instrucciones risc es un intento de obtener más potencia de la unidad central de procesamiento cpu simplificado su conjunto de instrucciones he aquí el argumento presentado por los partidarios de este enfoque muchas de las instrucciones presentes en una unidad central de procesamiento de tipo cisc rara vez se usan y la complejidad adicional del hardware debido a su presencia disminuye la velocidad de ejecución de otras instrucciones de uso frecuente el diseño del hardware risc trata de ejecutar instrucciones reales sencillas en una fracción del tiempo que suele requerirse para decodificar y realizar instrucciones más complejas las instrucciones de tipo risc han de ser tan sencillas que una instrucción entera se ejecutaría en el mismo intervalo que en condiciones normales se requería para efectuar uno de los muchos pasos en un ciclo de 5

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arquitectura de computadoras l instrucciones de tipo cisc así un procesador ideal de tipo risc procesara una instrucción por intervalo de reloj esta idea se describe gráficamente en la figura 10.1 muchas instrucciones que rara vez se usan en la arquitectura de tipo cisc fueron creadas originalmente con el propósito de simplificar el código generado por lenguajes de alto nivel pero sus aplicaciones son tan específicas y difíciles de implementar que solo contadas situaciones el compilador puede utilizarlas la mayoría de los compiladores ni si quiera tratan de usarlas la instrucción case de la computadora digital vax es comúnmente citada como un ejemplo de este tipo de instrucciones en varios estudios efectuados a fines de la década de 1970 y a comienzos de la década de 1980 se establecieron los patrones de uso de las instrucciones tanto en el lenguaje ensamblador como en varios lenguajes de alto nivel he aquí algunas conclusiones generales a las que se llegó con los resultados de dichos estudios en una investigación realizada por hopkins en 1986 se demostró que 10 instrucciones representan 71 de las que se ejecutan en el sistema /370 de ibm los resultados de la investigación incluidos en la figura 10.2 indican que con la optimización del desempeño de las instrucciones load 6

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arquitectura de computadoras l strore y branch mejoraba notablemente el funcionamiento de la unidad central de procesamiento cpu a la misma conclusión llegaron otros trabajos llevados a cabo más o menos por la misma época en varios estudios se observó que los programadores y los compiladores se abstenían de utilizar instrucciones complejas cuando estaban disponibles de modo que las usaban rara vez o nunca lo mismo sucede con la programación de lenguajes ensambladores o de alto nivel más de 85 de las declaraciones en cinco lenguajes de alto nivel contenían declaraciones de asignación declaraciones if y llamadas a procedimientos [tan90 las llamadas a procedimiento y a función son un enorme cuello de botella por la necesidad de pasar argumentos de un procedimiento a otro también es necesario guardar en algún lugar de los registros generales los valores procedentes del procedimiento anterior cuando se llama a otro puesto que todos los procedimientos de llamada se restauran los valores del registro anterior y los argumentos pasan de nuevo las investigaciones demuestran que estas llamadas y retornos representan una elevada proporción del tiempo total de ejecución de programa principalmente porque los programas bien diseñados ofrecen gran modularidad en la década de 1980 equipos de investigación aprovechan los resultados de los estudios anteriores para diseñar unidades centrales de procesamiento que trataran de mejorar su desempeño aumentado la eficiencia de las operaciones 7

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arquitectura de computadoras l cuyo tiempo de ejecución fuera costoso y eliminado las instrucciones de poco uso a raíz de estos intentos patterson [patt82 y otros establecieron una serie de directrices para mejorar la arquitectura a la que patterson llamo computadora con conjunto reducido de instrucciones risc he aquí las características principales que diferencian diseños de tipo risc del diseño de tipo cisc un conjunto limitado y simple de instrucciones la meta es crear un conjunto constituido por instrucciones susceptibles de ejecutarse rápidamente a altas velocidades utilizando una implementación canalizada y con alambrado permanente un canal es equivalente de una línea automotriz de montaje en la unidad central de procesamiento cpu para ejecutar las instrucciones el tiempo adicional que normalmente se requeriría para ejecutar instrucciones complejas crea burbujas de aire en el canal que disminuye la velocidad global de ejecución las instrucciones complejas requieren además un hardware más complicado que se encargue de la ejecución y la sincronización no se restringe el número de las instrucciones en un conjunto de tipo risc pero casi siempre su número es más pequeño que el de un procesador de una computadora con conjunto complejo de instrucciones cisc instrucciones orientadas a los registros con acceso muy limitado a la memoria un conjunto de tipo risc ofrece pocas instrucciones básicas load y store que pueden ingresar datos en la memoria el resto de ellas operan exclusivamente con registros por supuesto también ellas han de obtenerse de la memoria de modo que las instrucciones de llamada a bifurcación y procedimiento deben contener una dirección la ejecución de las instrucciones de acceso a la memoria tarda más tiempo para resolver este problema se incorporan medidas especiales al sistema palabra de la instrucción con extensión y formato fijos al hacer idénticos el tamaño y el formato de todas las instrucciones es posible obtenerlas y decodificarlas por separado no hay que esperar hasta 8

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arquitectura de computadoras l conocer la extensión de una instrucción anterior a fin de obtener y decodificar la siguiente por tanto esas dos acciones pueden llevarse a cabo en paralelo la decodificación se simplifica si el código de operación y los campos de dirección ocupan la misma posición en todas las instrucciones en la práctica la arquitectura de tipo risc disminuye a un número pequeño los formatos verdaderamente distintos en una unidad central de procesamiento digital vax cisc hay docenas de formatos de instrucciones con muchos tamaños diferentes muchas unidades centrales de procesamiento de tipo risc usan una palabra de instrucción con tres operandos a fin de aumentar la velocidad de decodificación de las unidades de los datos dos registros fuente suministran las entradas a la instrucción y un registro destino acepta los resultados así powerpc se sirve del formato de la figura 10.3 en las instrucciones de aritmética de enteros modos limitados de direccionamiento muchas computadoras de tipo risc ofrecen un solo modo para direccionar la memoria generalmente un direccionamiento directo o indirecto de registros con un desplazamiento una vez más simplifica la implementación y se agiliza la ejecución de las instrucciones los modos de direccionamiento son variantes del método con que el pequeño hombre computadora direcciona la memoria imprimen flexibilidad al conjunto de instrucciones a costa de un aumento mayor de la complejidad 9

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arquitectura de computadoras l un gran banco de registros las unidades centrales de procesamiento de tipo risc contienen muchos registros de manera que las variables y los resultados intermedios usados durante la ejecución del programa no requieren utilizar la memoria con ello se evitan muchas instrucciones load y strore en algunas de estas computadoras los registros se disponen de un ingenioso búfer circular que ofrece una forma rápida y cómoda de transferir parámetros entre los procedimientos cuando se pasa de un procedimiento a otro en un procesador de tipo cisc hay que guardar todos los registros en la memoria además de copiar y recuperar los parámetros que se transfieren para ello suele utilizarse una pila en la memoria es preciso repetir estas operaciones con todas las llamadas y retorno de los procedimientos son extremadamente lentas las elimina el búfer de registro circular sirve también para conmutar entre programas en un sistema multitareas operación importante y frecuente conocido como cambio de contexto en la figura 10.4 se compara las características de algunas computadoras de tipo cisc y de tipo risc 10

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arquitectura de computadoras l comparación del desempeño de la arquitectura de tipo risc y de tipo cisc han surgido muchas discusiones y polémicas entre los diseñadores de computadoras en torno al valor las ventajas y desventajas de estos tipos de arquitectura todavía no se han propuesto respuestas definitivas y no hay la intención de tomar partido en la discusión un argumento en favor de la arquitectura de computadora con conjunto complejo de instrucciones cisc indica que el conjunto más simple de instrucciones soportado por la arquitectura de computadora con conjunto reducido de instrucciones risc requiere una memoria más grande cuando se ejecutan programas similares en una computadora de este tipo los experimentos revelan que muchos casos se necesitan más instrucciones para realizar una tarea equivalente del programa en una computadora de tipo risc debido a la simplicidad del conjunto de instrucciones en cierto modo el uso de instrucciones pequeñas de tamaño fijo en esta arquitectura compensa la cantidad de instrucciones adicionales que requieren al calcular memoria necesaria de un programa las investigaciones sobre su efecto global en las necesidades de memoria no han llegado a una conclusión definitiva se tiene la impresión de que los programas en risc son más grandes pero no mucho y que la mayor velocidad de sus instrucciones parece compensar con creces la diferencia en el número de instrucciones ejecutadas el costo de la memoria adicional resulta insignificante por el contrario cuando se emplean más instrucciones para ejecutar un programa se incrementa también los accesos de memoria mediante los cuales se obtienen las instrucciones al irse ejecutado por lo menos una investigación la davidson y vaughan [dav87 revela que el tráfico de bufes en un sistema de tipo risc es mayor que un sistema de tipo cisc aunque las instrucciones load y store sean menos en el primero esa misma investigación indica un aumento de los fallos en la memoria cache esos dos incrementos reflejan evidentemente la necesidad de obtener más instrucciones de la memoria para ejecutarlas 11

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arquitectura de computadoras l otro argumento propuesto por los partidarios de la arquitectura de tipo cisc es que ha hecho mayor esfuerzo por optimizar los compiladores de risc con el propósito de darles preferencia a las operaciones de los registros llegan a la siguiente conclusión con una optimización de compiladores cisc desaparecería el beneficio del uso eficiente de las instrucciones orientadas a los registros aunque esta discusión no se ha resuelto todavía de modo definitivo este último argumento muy bien podría ser válido a juicio de algunos críticos de la arquitectura risc el gran archivo de los registros contenido en estas computadoras contribuye más a mejorar el desempeño que otras características sostienen que una computadora de tipo cisc con un número equivalente de registros dará un desempeño similar y han efectuado experimentos para demostrarlo los partidarios de la arquitectura risc responden diciendo que en los chips de cisc no se dispone del estado real que acreciente la cantidad de registros dada la complejidad de otros circuitos de la unidad central de procesamiento cpu requeridos en los procesadores de cisc en definitiva la única manera de resolver esta controversia consiste en medir el desempeño en circunstancias similares es difícil hacerlo por tres motivos las numerosas normas de mediciones posibles la dificultad de crear condiciones equivalentes y las diversas formas de utilizar las computadoras las pruebas recientes con que se comparan el desempeño de una serie de aplicaciones estándar de software en los procesadores pentium y powerpc parecen indicar que con la arquitectura de tipo risc se ejecutan más rápidamente los programas no cabe duda que los diseñadores de risc han ofrecido algunas arquitecturas de la unidad central de procesamiento más potentes de que se dispone hoy día con todo dista mucho de ser segura la aplicación general de esta conclusión 12

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arquitectura de computadoras l unidades centrales de procesamiento risc y cisc organización del control la organización de control en el risc de la figura 12-4 esta modificada el decodificador de instrucciones modificado es esencial para manejar el nuevo conjunto de instrucciones en la figura 12-8 se ha añadido como un campo ir también se ha puesto un campo cs de un bit al decodificador de instrucciones y md se ha ampliado a dos bits hay además un nuevo registro en el pipeline para sh y otro de dos bits para md 13

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arquitectura de computadoras l el resto de las señales de control se han incluido para manejar la nueva lógica de control para pc esta lógica permita cargar las direcciones en el pc para realizar bifurcaciones y saltos 14

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arquitectura de computadoras l procesadores de conjunto de instrucciones complejo las arquitecturas de conjunto de instrucciones cisc se caracterizan mediante instrucciones complejas que son en el peor de los casos imposibles y en el mejor difíciles de realizar utilizando un procesador de solo un ciclo a través de un pipeline de un solo paso una isa cisc emplea con frecuencia un número determinado de modos de direccionamiento además la isa utiliza habitualmente instrucciones de longitud variable el soporte para hacer una decisión vía bifurcación condicional es más sofisticado que el simple concepto de bifurcar sobre el contenido de cero de un registro y poner un bit de un registro a 1 basándose en la comparación de dos registros en esta sección se desarrolla una arquitectura básica para un cisc con el alto rendimiento de un risc para instrucciones simples y con mayor parte de las características de una isa cisc como la descrita supongamos que tenemos que realizar una arquitectura cisc pero que estamos interesados en acercarnos un throughput de una instrucción por ciclo de reloj pequeño de un risc para instrucciones simples y usadas frecuentemente para cumplir este objetivo usamos una ruta de datos segmentada y una combinación de un control pipeline y microprogramado como se muestra en figura 12-8 se accede a una instrucción que va ir y entra en la etapa de decodificación y acceso del operando si es una instrucción simple que se ejecuta completamente en solo paso a través de un risc normal en pipeline se decodifica y se accede a los operandos como es habitual por otro lado si la instrucción necesita varias microoperaciones o varios accesos a la memoria secuencialmente la etapa de decodificación genera una dirección de microcódigo para la rom con el microcódigo y sustituye a las salidas habituales del decodificador con los valores de control de la rom del microcódigo la ejecución de las microinstrucciones de la rom seleccionadas por el contador del microprograma continua hasta que se completa la ejecución de la instrucción recuerde que para ejecutar una secuencia de microinstrucciones se necesita normalmente tener registros temporales en los que almacenar información una organización de este tipo tendrá frecuentemente registros temporales con el 15

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