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Tecnologia CISC vs RISC

Resumen: Procesadores: CISC y RISC. Kripton - 5 O K5 de Amd. Pentium pro de intel. Mips. Sun microsystems. Hewlett - packard. Fundamentos y origen del risc. Corazon del risc. Compiladores optimizados del risc. ¿Risc o cisc?.

Publicación enviada por Luis Ernesto




 


Indice

1. Introducción
2. Procesadores: CISC y RISC
3. Kripton - 5 O K5 De Amd
4. Pentium pro de intel
5. Mips
6. Sun microsystems
7. Hewlett - packard
8. Fundamentos y origen del risc
9. Corazón del risc
10. Compiladores optimizados del risc
11. ¿ Risc o cisc ?

 

1. Introducción

Todos los CPUs x86 compatibles con la PC son procesadores CISC (Computadora de Conjunto de Instrucciones Complejas), pero en las Mac nuevas o en alguna que se hagan dibujos de ingeniería complejos, probablemente tengan un CPU RISC (Computadora de Conjunto de Instrucciones Reducido).

La diferencia práctica entre CISC y RISC es que los procesadores CISCx86 corren a DOS, Windows 3.1 y Windows 95 en el modo nativo; es decir, sin la traducción de software que disminuya el desempeño. Pero CISC y RISC también reflejan dos filosofías de computación rivales. El procesamiento de RISC requiere breves instrucciones de software de la misma longitud, que son fáciles de procesar rápidamente y en tandém por un CPU.

En contraste, un procesador de CISC tiene que procesar instrucciones más largas de longitud desigual. Es más difícil procesar múltiples instrucciones de CISC a la vez.

Los que proponen RISC mantienen que su método de procesamiento es más eficiente y más escalable, por lo que los arquitectos pueden añadir unidades de ejecución más fácilmente a un diseño existente y aumentar el rendimiento (las unidades de ejecución son los circuitos dentro del chip que hacen gran parte del trabajo). Similarmente, RISC facilita el multiprocesamiento verdadero, donde varios CPUs trabajan simétricamente mientras dividen, ejecutan y ensamblan una cadena de instrucción; los chips CISC pueden hacer lo mismo, pero no son tan efectivos. La simplicidad de las instrucciones de RISC también significa que requieren menos lógica para ejecutar, reduciendo el costo del chip. Pocos en el campo del CISC discuten estos hechos, prefiriendo apuntar a la realidad <<la gran mayoría del software para la PC está escrito para procesadores CISC>>.

Todo el debate de CISC/RISC puede ser irrelevante pronto debido a que nuevas técnicas están convergiendo. El Pentium Pro, el Nx586 y el K5 son básicamente procesadores RISC en su núcleo. Toman las instrucciones de CISC y las traducen a instrucciones estilo RISC. Para la generación que sigue al Pentium Pro, Intel y Hewlett-Packard están colaborando en un CPU híbrido que pueda aceptar instrucciones RISC y CISC. Si ese chip crea un estándar, puede acelerar el cambio hacia el software optimizado para RISC. Un mundo de RISC significaría CPUs más poderosos, y más baratos. Cuando quiera mejorar, simplemente puede añadir otro CPU en lugar de desprenderse de su viejo CPU.

2. Procesadores: CISC y RISC

Los procesadores se agrupan hoy en dos familias, la más antigua y común de las cuales es la "CISC" o "Complex InstructionSet Computer": computador de set complejo de instrucciones. Esto corresponde a procesadores que son capaces de ejecutarun gran número de instrucciones pre-definidas en lenguaje de máquina (del orden del centenar).

Desde hace unos años se fabrican y utilizan en algunas máquinas procesadores "RISC" o "Reduced Instruction Set Computer",es decir con un número reducido de instrucciones. Esto permite una ejecución más rápida de las instrucciones pero requierecompiladores (o sea traductores automáticos de programas) más complejos ya que las instrucciones que un "CISC" podríaadmitir pero no un "RISC", deben ser escritas como combinaciones de varias instruciones admisibles del "RISC". Se obtieneuna ganancia en velocidad por el hecho que el RISC domina instrucciones muy frecuentes mientras son operaciones menosfrecuentes las que deben descomponerse.

Dentro de muy poco los usuarios dejaran de hacerse la pregunta ¿ RISC O CISC ?, puesto que la tendencia futura, nos lleva a pensar que ya no existiran los CISC puros.

Hace ya tiempo que se ha empezado a investigar sobre microprocesadores "hibridos", es decir, han llevado a cabo el que las nuevas CPU's no sean en su cien por cien CISC, sino por el contrario, que estas ya contengan algunos aspectos de tecnologia RISC. Este proposito se ha realizado con el fin de obtener ventajas procedentes de ambas tecnologias (mantener la compatibilidad x86 de los CISC, y a la vez aumentar las prestaciones hasta aproximarse a un RISC), sin embargo, este objetivo todavia no se ha conseguido, de momento se han introducido algunos puntos del RISC, lo cual no significa que hayan alcanzado un nivel optimo.

Realmente, las diferencias son cada vez mas borrosas entre las arquitecturas CISC y RISC. Las CPU's combinan elementos de ambas y no son faciles de encasillar. Por ejemplo, el Pentium Pro traduce las largas instrucciones CISC de la arquitectura x86 a microoperaciones sencillas de longitud fija que se ejecutan en un nucleo de estilo RISC. El UltraSparc-II de Sun, acelera la decodificacion MPEG con unas instrucciones especiales para graficos; estas instrucciones obtienen unos resultados que en otros procesadores requeririan 48 instrucciones.

Por lo tanto a corto plazo, en el mercado coexistiran las CPU's RISC y los microprocesadores hibridos RISC - CISC, pero cada vez con diferencias mas difusas entre ambas tecnologias. De hecho, los futuros procesadores lucharan en cuatro frentes :

-Ejecutar mas instrucciones por ciclo.

-Ejecutar las instrucciones en orden distinto del original para que las interdependencias

entre operaciones sucesivas no afecten al rendimiento del procesador.

-Renombrar los registros para paliar la escasez de los mismos.

-Contribuir a acelerar el rendimiento global del sistema, ademas de la velocidad de la

CPU.

A continuacion pasaremos a comentar brevemente algunas de las CPU's, recien salidas o proximas a salir:

3. Kripton - 5 O K5 De Amd

Estado Actual : Muestras comerciales.

Velocidad Prevista : 120 Mhz

Rendimiento Estimado : Entre 109 y 115 SPECint92.

Proceso de Fabricacion : CMOS de tres capas de metal.

Tamaño de la Tecnologia de Proceso : 0'35 micras

Ventajas Tecnologicas :

Microarquitectura superescalar de cuatro vias

Nucleo de tipo RISC desacoplado

Ejecucion especulativa con reordenacion de instrucciones

Desventajas Tecnologicas :

Velocidades de reloj inferiores a las inicialmente previstas

Las extensas pruebas de compatibilidad han retrasado el lanzamiento

Donde Consultar : http : // www.amd.com

4. Pentium pro de intel

Estado Actual : Inicios de produccion.

Velocidad Prevista : 150 Mhz

Rendimiento Estimado : Entre 220 SPECint92; 215 SPECfp92

Proceso de Fabricacion : BiCMOS.

Tamaño de la Tecnologia de Proceso : 0'6 micras

Ventajas Tecnologicas :

Paquete multichip que integra una cache secundaria de 256 KB que se comunica con la CPU a la misma velocidad del procesador

Microarquitectura superescalar con reordenacion de instrucciones

Superpipelines incluidos para permitir altas velocidades de reloj.

Desventajas Tecnologicas :

Alto precio de fabricacion del paquete multichip

Microarquitectura optimizada para software de 32 bits, que tienen rendimiento pobre con codigo de 16 bits

Consumo de energia y disipacion de calor totalmente inapropiadas para ordenadores portatiles

Donde Consultar : http : // www.intel.com

5. Mips

Estado Actual : Primeras pruebas de produccion

Velocidad de reloj Prevista : 200 Mhz

Rendimiento Estimado : 300 SPECint92 y 600 SPECfp92

Proceso de Fabricacion : CMOS

Tamaño de la Tecnologia de Proceso : 0'35 micras

Ventajas Tecnologicas :

Este chip de 64 bits tiene cinco pipelines funcionales, por lo que puede llegar a ejecutar cinco instrucciones por ciclo de reloj. Con dos unidades de coma flotante de precision doble, el R10000 esta optimizado para sostener un alto rendimiento de coma flotante.

Desventajas Tecnologicas :

Para optimizar el rendimiento, la memoria cache secundaria externa tiene que fabricarse con costosa tecnologia

SRAM.

Donde Consultar : http : // www.mips.com

6. Sun microsystems

Estado Actual : Diseño

Velocidad de Reloj Prevista : de 250 a 300 Mhz

Rendimiento Estimado : De 350 a 420 SPECint92 y de 550 a 660 SPECfp92

Proceso de Fabricacion : CMOS de cinco capas de metal.

Tamaño de la Tecnologia de Proceso : 0'3 micras

Ventajas Tecnologicas :

El UltraSparc-II es una CPU de 64 bits superescalar de cuatro vias que no ha sido optimizada para tener unas altas cifras de rendimiento puro, sino para aplicaciones multimedia y de red.

Desventajas Tecnologicas :

La falta de asistencia por harware para reordenar instrucciones crea una gran dependencia hacia la calidad de los compiladores y exige la recompilacion del software anterior para disfrutar de todas las ventajas del chip

UltraSparc-II.

Donde Consultar : http : // www.sun.com / sparc /

7. Hewlett - packard

Estado Actual : Muestras de produccion

Velocidad de Reloj Prevista : de 200 Mhz

Rendimiento Estimado : Superior a 360 SPECint92 y 550 SPECfp92

Proceso de Fabricacion : CMOS

Tamaño de la Tecnologia de Proceso : 0'5 micras

Ventajas Tecnologicas :

HP es el unico fabricante RISC que deja fuera del chip las memorias cache primarias de instrucciones y datos, por lo que pueden tener un tamaño de varios megabytes y tener un buen rendimiento con los datos de tamaño excesivo para la cache, que suelen ser problematicos para otros nucleos RISC diseñados solo para la velocida de proceso.

Desventajas Tecnologicas :

Las caches externas funcionan a la misma velocidad que la CPU y, por tanto, deben estar fabricadas con la costosisima SRAM ultrarrapida.

Donde Consultar : http : // www.hp.com

8. Fundamentos y origen del risc

Los titulares que definen la arquitectura RISC, podria resumirse, con la suficiente flexibilidad, en varios puntos :

- Reduccion del numero de instrucciones ( ensamblador ).

- Uso intensivo de registros, diminuyendo los accesos a memoria.

- Simplificacion de la CPU en aras de una mayor velocidad de proceso.

- Empleo de memorias cache.

- Utilizacion de "compiladores optimizados", generadores de codigo objeto adaptado a los requerimientos de la CPU.

9. Corazón del risc

La CPU o procesador es el centro, el cerebro del ordenador. Sera ella quien dicte las acciones a tomar tras leer la informacion contenida en memoria. Se alimenta de instrucciones en lenguaje ensamblador para, a partir de cada una de estas, generar una pleyade de ordenes ( microordenes ) que, semiocultas al programador, recorreran las interioridades del propio procesador, activando registros, etc,... de su complejo hardware, a la vez que escapan hacia el exterior de la CPU con la mision de gobernar el comportamiento de la memoria buses de E/S, etc. En resumen son estas microordenes las que constituyes el sistema nervioso del ordenador. El problema se plantea al implementar en la CPU un dispositivo que "dispare" una serie de respuestas ante el estimulo de los "LOAD", "STORE", "JUMP", "MOVE"...

Las CPU's cuentan con una pequeña memoria de control de naturaleza ROM en la que se graba el conjunto de microordenes que corresponden a cada instruccion. Cuando una de estas es introducida en el procesadorm, lo que se hace realmente es utilizarla para direccionar adecuadamente la memoria de control y obtener asi las microordenes correspondientes. ¿Ventajas? Un cambio en las instrucciones solo exige regrabar esta ROM.

¿ COMO SURGE EL RISC ?

Los ordenadores etiquetados como CISC gozan de los privilegios y defectos del microcodigo. La CPU es considerablemente mas rapida que la memoria principal. Esto significa que conviene manejar un amplio abanico de instrucciones complejas cuyo significado equivalga al de varias instrucciones simples, disminuyendo asi los accesos a memoria. A esto se le añade la tandencia de aumentar el grado de complejidad de las instrucciones para acercarlas a los lenguajes de alto nivel.

Sin embargo, como resultado de icertos estudios en los que se examino la frecuencia de utilizacion de las diferentes instrucciones, se observo que el 80 % del tiempo era consumido por solo el 20 % de las instrucciones, con prioridad de los almacenamientos (STORE), cargas (LOAD) y bifurcaciones (BRANCH).

Instrucciones mas usadas

Esto significa que se poseian soberbias memorias de control cuyo contenido era muy poco utilizado. Se estaba penalizando la velocidad de respuesta en aras de tener informacion poco util.

La alternativa RISC se basa en esto y propone procesadores cableados con un repertorio simple de instrucciones sencillas y frecuentes; todo codigo complejo puede descomponerse en varios congeneres mas elementales en los que, para evitar los terribles efectos sobre los retardos de la memoria principal (MP), se recurre a numerosos registros y a memorias cache. Un registro es una unidad de almacenamiento enclavada en la CPU y, por tanto, tan rapida como esta. Las memorias cache son pequeñas memorias de alta velocidad, se alimentan de la MP, de la que toman la informacion que esta siendo mas frecuentemente utilizada. Otro de los objetivos del RISC fue lograr que a cada instruccion correspondiera un solo ciclo de reloj, a excepcion, de aquellos casos que hay que mover datos.

- Disminuye la probabilidad de fallo.

- Reduce el tamaño de la CPU, que puede entonces albergar mas recursos (registros).

- Facilita el diseño.

- Permite maquinas mas compactas y con menor consumo.

- A menor complejidad... menor coste.

Aun asi con todos los datos obtenidos a favor y en contra del CISC y del RISC, hay que tener en cuenta otro factor importante : la eficacia del software.

10. Compiladores optimizados del risc

Es cierto que un procesador RISC es mas veloz que uno CISC, pero tambien lo es que, al ser mas simples las instrucciones, necesita mas de estas para emular funciones complejas, por lo que los programas son mas largos y voluminosos. Es decir, el codigo objeto generado, ocupa mas memoria y, al ser mas extenso, emplea mas tiempo

en ser procesado. Los partidarios argumentan que el factor volumen de memoria incide poco en el precio,ademas estiman que el aumento de codigo no toma dimensiones importantes por el uso de coprocesadores y compiladores optimizados.

Los segundos destacan dos aspectos :

1.- Al existir menor variedad en el codigo generado, el proceso de compilacion es mas rapido. El motivo es que hay menor numero de reglas y posibilidades entre las que elegir ( no existira la disyuntiva de construir la misma accion por diferentes caminos, solo habra una forma unica ) evitando la exploracion de grandes tablas de instrucciones en busca del sujeto correcto.

" En un ordenador convencional, la misma instruccion de lenguaje de alto nivel puede ejecutarse de diversa formas, cada una con sus inconvenientes y ventajas, pero en el RISC solo hay una forma de hacer las cosas "

2.- Al traducir los lenguajes de alto nivel mediante unidades de extrema simplicidad, se incremente la eficiencia. Si se emplean instrucciones potentes se corre el riesgo de no aprovecharlas en su totalidad y potencia, menor es la adaptacion a los diferentes casos particulares

11. ¿ Risc o cisc ?

El conflicto surge al evaluar las ventajas netas ¿ que es mas apropiado, usar muchas instrucciones de un solo ciclo aprovechadas al maximo, o pocas de multiples pasos de reloj en las que existe infrautilizacion ?

La cuestion, es que hasta el momento, el estudio de prestaciones de ambas tecnologias, nos ha llevado a concluir que hoy en dia los RISC obtienen mas prestaciones, es decir, son mas potentes y rapidos que los CISC. Sin embargo, el mercado se ha decantado por la tecnologia CISC en cuanto a volumen de ventas. ¿ Por que ?

1.- Por experiencia propia, podemos comprobar que un CISC tiene un coste "razonable", que es alcanzado a nivel de usuario. Esto mismo, no ocurre con los RISC, que por el contrario tienen un coste elevado, por esto mismo esta tecnologia ha sido enfocada a ventas a nivel de empresa y equipos de gama alta.

2.- La utilidad que se le de a la maquina es muy importante, ya que el usuario debe de encontrar un nivel optimo en cuanto a calidad - precio. Y por que pagar mas si realmente no se le va a sacar partido al cien por cien.

3.- El software utilizado es otro de los factores importantes, dado que un RISC no utiliza el mismo software que un CISC. Estos ultimos, por lo general tienen un software mas asequible.

4.- Dada la compatibilidad hacia atras de la familia CISC x86, los usuarios han podido renovar sus equipos sin por ello tener que abandonar software que ya conocian, y reutilizar sus datos. Asi mismo, los fabricantes han tenido en cuenta este factor, puesto que seguir con otra linea de procesadores suponia no solo un cambio muy radical, sino que ademas podia llevar un riesgo en cuanto a ventas.

Estos son algunos de los motivos. Sin embargo, tambien hay que tener en cuenta el conflicto de intereses de algunos fabricantes, asi como la opinion de distintas revistas, algunas de ellas asociadas a diferentes marcas.

Se estan estudiando las tendencias futuras, como pueden ser los hibridos, mejoras en los microprocesadores CISC, mejoras en los RISC, ...

Trabajo enviado por:
Luis Ernesto
luis.ernesto@codetel.net.do



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