Tecnologia RISC

INTRODUCCIÓN SERGIO

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. Aun más, existen diversos procesadores que no se pueden asignar con facilidad a ninguna categoría determinada.

Arquitectura RISC (Reduced Instruction Set Computer) – Computadora de Conjunto Reducido de Instrucciones

Al reducirse el costo de los dispositivos de memoria y al mejorarse la tecnología de los compiladores, se considero posible simplificar el conjunto de instrucciones asumiendo el costo de una codificación más grande y el requerimiento de un mayor ancho de banda de acceso a memoria.

Esta observación dio origen a las Computadoras con Conjunto Reducido de Instrucciones (RISC),. En los 1970s, John Cocke de IBM, estableció los conceptos fundamentales de la arquitectura RISC: pocas instrucciones, instrucciones con tamaño fijo y con formato fijo, ejecución de toda instrucción en un solo ciclo, y acceso a memoria únicamente mediante operaciones Load (carga) / Store (almacenar). Estas ideas fueron posteriormente refinadas y articuladas por un grupo de investigadores en la Universidad de Berkeley en California, liderado por David Patterson, quien acuñó el término RISC. Ellos se dieron cuenta que el modelo RISC prometía un mayor desempeño, menor costo, menor tamaño y un proceso de diseño más rápido.

La filosofía de la arquitectura RISC es el “hacer tareas comunes más rápido” y “la simplicidad es lo mejor”, lo cual se basa en la primicia de que el 20% de las instrucciones de una computadora realizan el 80% del trabajo. Un conjunto de instrucciones RISC incluye menos instrucciones e instrucciones más simples, y requiere una unidad de control comúnmente del tipo “hardwired” (las señales de control son generadas por hardware, particularmente por sistemas de máquinas de estado), un sistema de pipa de procesamiento más simple que permite el procesamiento paralelo de instrucciones, un mayor número de registros, diseños más simples y reducidos, y una mayor frecuencia de reloj. Al contarse con menos instrucciones, el más sencillo diseñar poderosos compiladores optimizados. Además, con instrucciones más simples y de tamaño fijo y una decodificación a base de hardware, se tiene la posibilidad de mejores niveles de desempeño para implementar computación superescalar y especulativa.

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.

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.

EMMANUEL

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 donde centraremos nuestra atención.

Dependiendo de cómo el procesador almacena los operandos de las instrucciones de la CPU, existen tres tipos de juegos de instrucciones:

1. Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en pilas.

2. Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en acumulador.

3. Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en registros.

La arquítectura RISC es ejemplo de CPU con un conjunto de instrucciones para arquítecturas basadas en registros.

ARQUITECTURAS RISC

Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubrió en base a experimentos que, con una determinada arquitectura de base, la ejecución de programas compilados directamente con microinstrucciones y residentes en memoria externa al circuito integrado resultaban ser mas eficientes, gracias a que el tiempo de acceso de las memorias se fue decrementando conforme se mejoraba su tecnología de encapsulado.

Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas se pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual elimina el microcódigo y la necesidad de decodificar instrucciones complejas.

EJEMPLO DE MIGRACION DE INTEL DE CISC A RICS

Intel, cuyos diseños de sus primeros procesadores estaban basados en la arquitectura CISC, a partir de su procesador Pentium Pro, empezó a adoptar gradualmente la arquitectura RISC. Los nuevos diseños incorporan un núcleo RISC, y, para mantener la compatibilidad inversa con procesadores predecesores, convierte las instrucciones CISC a instrucciones tipo RISC que Intel llama microoperaciones , o micro-ops, (ver la Figura 6.1). Las microoperaciones reducen en mucho los inconvenientes del modelo CISC al convertir todas las instrucciones a instrucciones de un mismo tamaño antes de ser procesadas. Las Micro-ops también elimina las operaciones aritméticas que cambian el contenido de la memoria directamente, cargando los datos que residen en la memoria

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