Aula 24: Arquiteturas RISC vs. CISC

Fernanda Passos

Universidade Federal Fluminense

Fundamentos de Arquiteturas de Computadores

Material baseado nos slides do prof. Diego Passos

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Revisao

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Nas Aulas Anteriores. . .

Discutimos o sistema de E/S.I O que e.I Exemplos de dispositivos.I Barramentos.

Tambem falamos sobre metodos de acesso e mapeamento dos dispositivos de E/S.I Mapeamento em memoria, mapeamento por porta.I E/S programada, por interrupcoes, DMA.

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Na Aula de Hoje. . .

Ultima aula (de conteudo novo) do perıodo.Vamos encerrar a disciplina discutindo duas abordagens para projetos de arquiteturas:

I RISC e CISC.Discutiremos:

I O que sao.I Motivacoes historicas.I Principais caracterısticas.I Exemplos.I Vantagens e desvantagens.

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Contexto Historico

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O Gap Semantico

Evolucao de hardware dos computadores foi muito rapida.I Processadores cada vez mais rapidos.I Incorporando tecnicas cada vez mais complexas.

Simultaneamente, surgiam as linguagens de alto nıvel.I Mais faceis de programar.I Comandos complexos.I Faziam muito, em poucas linhas de codigo.

Gap Semantico:I Grande diferenca de expressividade das linguagens de alto nıvel e montagem.I Dificuldade no processo de traducao.

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Hardware vs. Software

O que e mais eficiente:I Implementar um dado algoritmo em software?I Ou criar uma implementacao em hardware do mesmo?

Uma implementacao especializada em hardware e normalmente mais rapida.I Nao ha o overhead do software.I e.g., decodificacao de instrucoes.

Conclusao:I Programas rodam mais rapido se tarefas complexas sao implementadas em hardware.I Na forma de instrucoes.

Mas isso e realmente verdade?

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Hardware vs. Software

O que e mais eficiente:I Implementar um dado algoritmo em software?I Ou criar uma implementacao em hardware do mesmo?

Uma implementacao especializada em hardware e normalmente mais rapida.I Nao ha o overhead do software.I e.g., decodificacao de instrucoes.

Conclusao:I Programas rodam mais rapido se tarefas complexas sao implementadas em hardware.I Na forma de instrucoes.

Mas isso e realmente verdade?

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Reducao no Uso de Memoria

Relembrando:I Memoria Principal = Gargalo de von Neumann.

Memoria e lenta e tambem tem capacidade limitada.I Especialmente ate a decada de 1980.

Idealmente, queremos minimizar os acessos a memoria.E tambem reduzir o tamanho dos programas armazenados na MP.Com instrucoes mais complexas, podemos atingir ambos os objetivos:

I Uma unica instrucao substitui sequencia de n.I Menos instrucoes armazenadas na MP.I Um unico acesso vs. n.

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Reducao no Uso de Memoria: Exemplo

Exemplo de multiplicacao em duas arquiteturas hipoteticas.I Dados armazenados na MP.I Na arquitetura A, ha apenas a instrucao PROD que opera sobre registradores.I Na arquitetura B, ha a instrucao MULT, que opera “diretamente” sobre a MP.

F Dados ainda sao trazidos para registradores, mas de forma transparente.

Arquitetura A

LOAD $1, 0x10LOAD $2, 0x14PROD $1, $2STORE 0x10, $1

Arquitetura B

MULT 0x10, 0x14

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Consequencias

Projetos de processadores se tornavam cada vez mais complexos.I Grande numero de instrucoes.I Instrucoes complexas.I Inumeros modos de enderecamento.I Implementacao em hardware de comandos/estruturas de linguagens de alto nıvel.I Instrucoes especıficas para manipulacao de estruturas de dados complexas.I Instrucoes de tamanhos e tempos de execucao variados.I Circuitos complexos.

Esperava-se fechar o Gap Semantico elevando o conjunto de instrucoes para o nıvel daslinguagens de alto nıvel.

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A Filosofia RISC

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Surgimento

RISC: Reduced Instruction Set Computer.Varios projetos surgiram no final da decada de 1970.

I Stanford.F Daria origem ao MIPS.

I Berkeley.F Daria origem ao SPARC.

I IBM.F Daria origem ao Power PC.

Ideia basica:I Simplificar o conjunto de instrucoes.I Instrucoes simples podem ser implementadas de forma mais eficiente, barata.I Economia pode ser direcionada a outras partes do processador.

F e.g., mais registradores.

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Caracterısticas

Instrucoes mais simples.I Nao necessariamente menos instrucoes.I Mas instrucoes que facam menos.I e.g., no maximo um acesso a MP.

Instrucoes com formato uniforme.I e.g., tamanho fixo.I Mais faceis de serem decodificadas.

Poucos modos de enderecamento.I Reduzem complexidade da busca de operandos.

Instrucoes lidam apenas com dados de tipos primitivos.I e.g., nao ha instrucoes para strings.

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Caracterısticas (II)

Registradores de proposito geral equivalentes.I Certas arquiteturas conferem significados especiais a determinados registradores de

“proposito geral”.F e.g., contadores em instrucoes de loop.

I Na filosofia RISC, todos sao equivalentes.Mais registradores de proposito geral.

I Logica de controle mais simples permite alocar mais recursos em outras areas.I Com mais registradores, espera-se menos acesso a memoria para acessar dados.

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RISC vs. CISC

Com o advento da filosofia RISC, convencionou-se chamar as alternativas de arquiteturasCISC.

I CISC: Complex Instruction Set Computer.A filosofia CISC, portanto, consiste em:

I Empregar conjuntos de instrucoes complexas.I Permitir instrucoes em formatos variados.I Trazer funcionalidades de alto nıvel para o hardware.I . . .

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RISC: Compiladores

Ao restringir o conjunto de instrucoes a instrucoes “simples”, processadores RISC sedistanciam das linguagens de alto nıvel.

I Aumentam o Gap Semantico.Isto impoe mais pressao aos compiladores.

I Tarefas de traducao e otimizacao do codigo se tornam mais difıceis.Por outro lado, compilador tem mais registradores a disposicao.

I Pode manter mais dados na CPU com menos esforco.

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RISC: Numero de Instrucoes

Como ja explicado, o termo reduzido diz respeito a instrucoes mais simples.I Nao necessariamente a menos instrucoes.

Mas um numero menor de instrucoes e uma consequencia comum em variosprocessadores com arquiteturas RISC.Exemplos:

Caracterıstica CISC RISCModelo IBM 370/168 VAX 11/780 Intel 80486 SPARC MIPS R4000Ano 1973 1978 1989 1987 1991Instrucoes 208 303 235 69 94Registradores 16 16 8 40-520 32

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RISC e CISC: Adocao

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Adocao do Princıpio CISC em Processadores Atuais

Principal exemplo: arquiteturas x86 e x86-64.I Instrucoes de tamanho variado.I Instrucoes com tempos de execucao variados.I Varios modos de enderecamento.I Diversas variacoes da mesma instrucao

Ha ainda outros exemplos, como o Motorola 68000.I Arquitetura menos popular que a x86, mas ainda usada em certos dispositivos.

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Adocao do Princıpio RISC em Processadores Atuais

Alguns exemplos para RISC:I ARM.I MIPS.I PowerPC.I Atmel AVR.I . . .

Existem mais exemplos que para o CISC.Muito encontrados hoje em dispositivos embarcados.

I Principalmente os alimentados por bateria.

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Micro-Arquiteturas

Um princıpio de projeto comum hoje.Hardware do processador implementa um conjunto de instrucoes bastante simples ereduzido.

I As micro-instrucoes.Memoria nao-volatil interna ao processador guarda um micro-programa.

I Interpretador das macro-instrucoes.I Ciclo de execucao implementado em software.

Programas executados no processador sao escritos em macro-instrucoes.I Interpretadas pelo micro-programa.

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Micro-Arquiteturas (II)

Micro-arquiteturas geralmente se caracterizam como RISC.I Instrucoes simples.I Sempre mesmo tamanho.I Sempre mesmo tempo de execucao.I . . .

E sao utilizadas mesmo quando a macro-arquitetura e CISC.I e.g., processadores atuais da Intel baseados em x86 ou x86-64.

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RISC e CISC: Comparacoes

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Ciclo de Clock

Instrucoes mais simples podem ser executadas mais rapidamente.Comprimento do ciclo de clock e determinado pelo tempo da tarefa mais longa.Logo, uma arquitetura com instrucoes mais simples pode operar com ciclos de clock maiscurtos.Conclusao:

I Teoricamente, arquiteturas RISC podem ter ciclos de clock menores.

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Densidade de Codigo

Medida do quao compacta e a representacao dos programas em memoria.I Maior densidade → menor codigo.

Arquiteturas CISC tem instrucoes mais complexas.I Fazem mais.I Podem substituir sequencias de varias instrucoes mais simples.

Conclusao:I Arquiteturas CISC tendem a resultar em maior densidade de codigo.

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Numero de Registradores

Arquiteturas RISC tem uma logica interna mais simples.I Menos componentes.I Menor custo.

Recursos economizados geralmente sao investidos na forma de mais memoria interna aoprocessador.

I e.g., registradores.Conclusao:

I Arquiteturas RISC geralmente possuem mais registradores.

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Eficiencia Energetica

Uma logica interna mais simples permite implementacao mais simples.I i.e., circuitos menores.I Com menos componentes.

Isto tende a se refletir em economia de energia.Conclusao:

I Arquiteturas RISC tendem a ser mais eficientes energeticamente.

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Escalabilidade

Neste contexto, escalabilidade e a capacidade de combinar multiplos processadores emum unico computador.

I Multiprocessamento.Ha varios fatores que limitam ou dificultam esta escalabilidade.Entre eles:

I Consumo energetico.I Complexidade de projeto.I Custo.

Por serem mais simples e mais eficientes energeticamente, processadores RISC tendem aser mais escalaveis.

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Compiladores

Maquinas RISC tem instrucoes mais simples, basicas.I Mais distantes das linguagens de alto nıvel.I Dificulta o processo de traducao.

Maquinas CISC tendem a ter um numero maior de instrucoes.I Mais variacoes de uma mesma operacao basica.I Mais modos de enderecamento.I Compiladores sao capazes de tirar proveito disso?

Outra diferenca e o onus de certas otimizacoes, como mudancas de ordem de execucao esolucoes para conflitos de pipeline.

I Alguns processadores RISC deixam isso a cargo do compilador.I Processadores CISC geralmente lidam com isso em hardware.

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Na Pratica

Comparacoes praticas de desempenho entre processadores RISC e CISC sao difıceis.I Mercados diferentes.I Capacidades diferentes.I Tecnologias de fabricacao diferentes.I Compiladores diferentes.

Sem comparacoes praticas justas, e difıcil apontar um vencedor.I Ha ainda muita controversia sobre qual abordagem e superior.

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Na Pratica (II)

Mas arquiteturas RISC vem ganhando popularidade.I Dominam mercado de dispositivos embarcados.I Comecam a entrar no mercado de grandes servidores.

Mesmo em processadores baseados em conjuntos de instrucao CISC, e comum aimplementacao de uma micro-arquitetura RISC.

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Outra Forma de Comparacao: TOP500

TOP500: projeto que lista 500 computadores/supercomputadores mais poderosos domundo.

I Atualizada a cada 6 meses.Segundo a lista atual (Junho de 2016):

I Cerca de 80% da lista e composta por computadores baseados em x86.F Mas pode contabilizar varios fortemente baseados em GPUs ou Xeon Phi.

I Por outro lado, dos 10 mais rapidos, 4 sao baseados em processadores RISC.F Sunway (topo da lista),F IBM Power e SPARC.

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RISC e CISC: Aproximacao

Nos ultimos anos, as diferencas entre processadores RISC e CISC tem diminuıdo.I Processadores RISC tem incorporado funcionalidades complexas, como execucao fora de

ordem.I Processadores CISC tem adotado implementacoes baseadas em micro-arquiteturas RISC.

A definicao mais precisa hoje para diferenciar as duas abordagens e em relacao ao acessoa MP.

I Arquiteturas RISC so acessam a memoria em instrucoes do tipo load ou store.I Arquiteturas CISC possuem instrucoes que executam operacoes logicas/aritmeticas sobre

valores que estao na MP.F i.e., instrucoes implicitamente trazem valores da MP para registradores.

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