Arquitetura De Processadores

RISC

Reduced Instruction Set Computer ou Computador com um Conjunto Reduzido de Instruções (RISC), é uma linha de arquitetura de processadores que favorece um conjunto simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma quantidade de tempo para serem executadas. A maioria dos microprocessadores modernos são RISCs, por exemplo DEC Alpha, SPARC, MIPS, e PowerPC. O tipo de microprocessador mais largamente usado em desktops, o x86, é mais CISC do que RISC, embora chips mais novos traduzam instruções x86 baseadas em arquitetura CISC em formas baseadas em arquitetura RISC mais simples, utilizando prioridade de execução.

Os processadores baseados na computação de conjunto de instruções reduzido não tem micro-programação, as instruções são executadas diretamente pelo hardware. Como característica, esta arquitetura, além de não ter microcódigo, tem o conjunto de instruções reduzido, bem como baixo nível de complexidade.

A idéia foi inspirada pela descoberta de que muitas das características incluídas na arquitetura tradicional de processadores para ganho de desempenho foram ignoradas pelos programas que foram executados neles. Mas o desempenho do processador em relação à memória que ele acessava era crescente. Isto resultou num número de técnicas para otimização do processo dentro do processador, enquanto ao mesmo tempo tentando reduzir o número total de acessos à memória.

RISC é também a arquitetura adotada para os processadores dos videogames modernos, que proporcionam um hardware extremamente dedicado somente à execução do jogo, tornando-o muito mais rápido em relação a micro computadores com mais recursos, embora com processador x86.

História

Desde os primeiros momentos da indústria de computadores que os cientistas dos principais fabricantes têm estudado métodos e técnicas que possam aperfeiçoar o desempenho e a capacidade dos sistemas de computação.

Alguns aspectos atribuídos ao primeiro-RISC: projetos marcados por volta de 1975 incluem as observações que os compiladores de memória restritos da época eram freqüentemente incapazes de tirar proveito dos recursos destinados a facilitar a montagem manual de codificação, e que os modos de endereçamento complexos levavam muitos ciclos para executar devido aos exigidos acessos à memória adicional. Foi alegado que tais funções seriam melhor executadas por seqüências de instruções mais simples se isso poderia render implementações pequenas o suficiente para deixar espaço para muitos registros , reduzindo o número de acessos à memória lenta. Nestes projetos simples, a maioria das instruções são de tamanho uniforme e estrutura semelhante, as operações aritméticas são restritas a registros de CPU e instruções a carregar apenas separam e armazenam a memória de acesso. Essas propriedades permitem um melhor balanceamento de estágios no pipeline do que antes, fazendo gasodutos RISC significativamente mais eficientes e permitindo que as freqüências de clock fossem mais altas.

No inicio da década de 1980, surgiram várias pesquisas cujo desejo era de aumentar o desempenho do sistema de computação. Se o desejo era esse, deve-se procurar aperfeiçoar o emprego das instruções que consomem mais tempo de execução, e não se preocupar tanto com instruções mais complexas que raramente são usadas.

Ao longo das décadas em que é usado o computador, observa-se que o hardware em geral, os processadores e a memória, tem evoluído mais rapidamente que o software.

Por outro lado, a manutenção e desenvolvimento de programas não evoluíram em custo/benefício. Apesar de a todo o momento surgirem novas criações e lançamentos, isso acarreta um custo muito elevado. A manutenção também pode ser um problema, pois os programas oferecidos pelos fabricantes estão longe da ausência de falhas(bugs).

Entre as pesquisas realizadas nessa época, podemos citar a de David Patterson. Juntamente com Carlos Séquin, ele publicou em 1982 [PATT82] um estudo mostrando o desempenho, os parâmetros e elementos de linguagens de alto nível quando compiladas e executadas. Esse artigo descrevia uma nova arquitetura para um processador, propondo solucionar os problemas de desempenho e custo existentes nas arquiteturas complexas vigentes (CISC). Esta arquitetura foi chamada de RISC, porque criava um processador com pequeno conjunto de instruções.

Esse trabalho é usado como referência para a avaliação do comportamento dos programas de alto nível e seu desempenho dinâmico, no qual os autores apresentaram resultados da compilação e da execução de oito programas diferentes, quatro em linguagem Pascal e quatro em linguagem C.

As análises efetuadas de programas compilados por máquinas de arquitetura CISC, mostraram que os compiladores não eram mais tão espertos quanto os programadores assembly na busca de instruções de máquina complexas. O programa compilador utiliza pouco da grande quantidade de instruções e dos modos de endereçamento que estão disponíveis, pois parece ser difícil analisar o programa de alto nível. Por exemplo, para efetuar a soma entre dois operandos em uma máquina com arquitetura CISC, sendo que um dos valores está em um registrador e o outro na memória, levará um certo tempo gasto para calcular o endereço de acesso a memória. Já em uma máquina com arquitetura RISC, são usadas duas instruções(diferente da arquitetura CISC que utiliza uma instrução), mas como são instruções mais simples, sua execução é bem mais rápida fazendo com que seu tempo total seja menor.

É uma estratégia de desenvolvimento de CPU com base na percepção de que simplificado (em oposição ao complexo) as instruções podem proporcionar maior desempenho, se essa simplicidade permite a execução muito mais rápida de cada instrução. Um computador com base nesta estratégia é um computador com um reduzido conjunto de instruções (também RISC). Existem muitas propostas de definições precisas , mas o termo está sendo lentamente substituído pela arquitetura mais descritiva load-store. Famílias bem conhecidas incluem RISC DEC Alpha, a AMD 29k, ARC, ARM, Atmel AVR, MIPS, PA-RISC, Power (incluindo PowerPC), SuperH e SPARC.

Características das Arquiteturas CISC

O nome CISC (Complex Instruction Set Computer) advém do fato de se considerar complexo um conjunto constituído de grande quantidade de instruções, com múltiplos modos de endereçamento, entre outras críticas. Em uma época inicial da computação em que a memória era cara e pequena e, por isso, os códigos