Aspectos da Arquitetura de Processadores RISC

Aspectos da Arquitetura de Processadores RISC

Autoras: Nádia Pádua de Mattos - SESA Sara Fichman Raskin - GPT

Um comparativo RISC x PC

1 Histórico

O primeiro processador do mundo nasceu juntamente com o primeiro computador, o Eniac (Eletronic Numerical Integrator and Calculator), construído por John Von Neuman em 1946.

O processador é a unidade principal do computador; ele controla o fluxo dos programas, executa operações lógicas e aritméticas, acessa a memória, faz solicitações aos periféricos, confunde-se com a CPU.

Em 1971, na Intel Corporation, Ted Hoff construiu um processador que tinha todas as unidades reunidas em um só chip, o 4004, o primeiro microprocessador.

A diferença básica entre o processador tradicional e o microprocessador é o fato de este último poder ser produzido na linha de montagem, em larga escala, diminuindo drasticamente o custo por causa do preço e do pouco calor dissipado; os microprocessadores se espalharam pelo mundo, conquistaram o mercado e fizeram fortunas incalculáveis.

A idéia original do projeto RISC, de produzir máquinas com um conjunto reduzido de instruções, é, em última análise, uma volta ao início da computação, pois os primeiros computadores digitais tinham poucas instruções.

A crescente complexidade das arquiteturas foi decorrente da necessidade de compatibilizar novos modelos com os anteriores; de reduzir o "gap" semântico entre programas escritos em linguagem de alto nível e o conjunto de instruções das máquinas.

Um projeto de pesquisa da IBM identificou que a maioria das instruções eram usadas com pouca freqüência. Cerca de 20% delas eram usadas 80% das vezes. Os próprios desenvolvedores de sistemas operacionais habituaram-se a determinados subconjuntos de instruções, tendendo a ignorar as demais, principalmente as mais complexas.

A proposta RISC foi então implementar todo um conjunto de instruções em um único chip.

Desde do Eniac, os processadores utilizavam conjuntos de instruções (instruction sets) bastante complexos. Esse tipo de arquitetura, por sua difícil execução, exige que o processador analise as instruções e execute pequenas sub-rotinas gravadas dentro do próprio processador.

Acreditando que essas sub-rotinas ou microcódigos fossem contraproducentes, Jonh Cocke, da IBM, teve a idéia de construir um processador mais simples, que não necessitasse de microcódigo, deixando o trabalho pesado para os programas. Estava criada a filosofia do computador com conjunto reduzido de instruções (Reduced Instruction Set Computer - RISC), um processador menor, mais barato, mais frio. Com o tempo, este termo acabou por se generalizar e denomina todas as máquinas que obedecessem a um conjunto específico de princípios de arquitetura.

Como era preciso identificar os outros computadores não RISC, foi cunhado o termo CISC (Complex Instruction Set Computer). Apesar de inventada em 1974, a filosofia RISC só chegou ao mercado em 1985, pelas mãos da Sun Microsystems, com o Sparc.

Hoje temos como microprocessadores CISC toda a plataforma Intel, dos tradicionais ao Pentium. Do outro lado estão o consórcio PowerPC, MIPS, HP e Digital, cada qual com seu chip RISC.

O PowerPC é o maior desafio aos processadores Intel, que detêm 70% do mercado mundial. O DEC Alpha AXP é o processador RISC de mais alto desempenho rodando em 150MHz ou mais. As outras plataformas RISC populares são o SPARC e o PA-RISC, que geralmente rodam em sistemas operacionais baseados em Unix.

2 Arquitetura Risc

A arquitetura RISC é constituída por um pequeno conjunto de instruções simples que são executadas diretamente pelo hardware, sem a intervenção de um interpretador (microcódigo), ou seja, as instruções são executadas em apenas uma microinstrução.

As máquinas RISC só se tornaram viáveis devido aos avanços de software no aparecimento de compiladores otimizados .

Existe um conjunto de características que permite uma definição de arquitetura básica RISC; são elas:

o coração de todo computador é o datapath (ULA, registradores e os barramentos que fazem sua conexão); uma das maiores características das máquinas RISC é utilizar apenas uma instrução por ciclo do datapath (uma instrução é similar a uma microinstrução);

projeto carrega/armazena, ou seja, as referências à memória são feitas por instruções especiais de load/store;

inexistência de microcódigo; sendo assim, a complexidade está no compilador;

instruções de formato fixo, permitindo uso consistente do formato e facilitando a decodificação de instruções por controle fixo, o que torna mais rápido os dutos de controle;

conjunto reduzido de instruções, facilitando a organização da UC de modo que esta tenha uma interpretação simples e rápida;

utilização de pipeline, uma técnica de dividir a execução de uma instrução em fases ou estágios, abrindo espaço para execução simultânea de múltiplas instruções; à medida que um estágio é concluído, a instrução vai para a frente, no canal, e a instrução seguinte vai para aquele estágio; como as instruções RISC são do mesmo tamanho, elas levam um ciclo para completar cada estágio de pipeline. Por exemplo, se uma instrução pode ser dividida em 4 fases, 4 instruções podem ser executadas simultaneamente;

utilização de múltiplos conjuntos de registradores.

A especificação de formatos e o número de instruções são os pontos mais enfocados quando se fala de arquitetura RISC, mas uma generalização bem feita da teoria RISC vai muito além, indicando uma predisposição para estabelecer livremente compromissos de projeto através das fronteiras arquitetura/implementação e tempo de compilação/tempo de execução, de modo a maximizar o desempenho medido em algum contexto específico.

O principal objetivo de uma máquina RISC é executar uma instrução por ciclo; como o acesso à memória utiliza mais ciclos, a solução foi criar um grande número de registradores (overlapping register windows). Este número de registradores tem grande impacto na performance das máquinas RISC, que só são possíveis devido sua simplicidade de projeto (inexistência de microcódigo).