Aula 2 - Sistemas Embarcados (apoio_risc -cisc)

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ARQUITETURAS DE HARDWARE DE COMPUTADORES
Prof. Nelson Vasconcellos
AULA APOIO
ARQUITETURA DE HARDWARE 
SISTEMAS COMPUTACIONAIS
2024.1
Prof. Nelson Vasconcellos
ARQUITETURAS DE HARDWARE DE COMPUTADORES
Prof. Nelson Vasconcellos
CISC & RISC & PIPELINE
RISC: Reduced Instruction Set Computers
CISC: Complex Instruction Set Computer
Arquitecturas de microprocessadores
Arquitectura CISC
Arquitectura RISC 
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Arquitectura de microprocessadores
Uma das primeiras decisões ao projectar um
microprocessador é decidir qual será o seu conjunto de
instruções.
Esta decisão é importante por dois motivos :
• o conjunto de instruções decide o projecto físico da
montagem( reduzido ou complexo);
• qualquer operação a ser executada no
microprocessador deve ser capaz de ser descrita em
termos de uma linguagem dessas instruções.
Diante dessa questão, existem duas filosofias de design,
máquinas chamadas CISC e máquinas chamadas RISC.
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Arquitectura de microprocessadores
Quando falamos sobre microprocessadores CISC,
(computadores com um conjunto de instruções
complexo), e processadores RISC, (computadores
com um conjunto de instruções reduzido), pensa-
se que os atributos complexos e reduzidos
descrevem o diferenças entre os dois modelos de
arquitectura de microprocessador.
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Arquitectura CISC
A tecnologia CISC (Complex Instruction Set
Computer) , criada em 1971 pela Intel do primeiro
microchip que permitiria o nascimento da
computação pessoal. Em 1972 surge o 8080, o
primeiro chip capaz de processar 8 bits, o
suficiente para representar números e letras.
Com esta possibilidade de colocar todos os circuitos
em um único chip e a capacidade de lidar com
números e letras, nasceria a quarta geração de
computadores, conhecidos como PCs ou
computadores pessoais.
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Durante grande parte da história dos computadores pessoais
o modelo predominante dos microcomputadores tem sido daIntel Corporation. 
O primeiro processador da IBM PC foi a Intel 80088. As gerações seguintes 
foram da família 80X86, 80286, 80386, 80486, a partir do 80586 Intel 
começou a ter concorrentes como AMD, CYRIX e TEXAS INSTRUMENTS 
Apesar das mudanças, os processadores Intel até o 80486 eram baseados
numa filosofia de projeto CISC, este padrão usa comandos que incorporam
muitas instruções mínimas para executar uma simples operação. Um
processador com arquitetura CISC é capaz de executar várias informações
complexas diferentes.
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Arquitectura CISC
Os microprocessadores CISC possuem um conjunto
de instruções que se caracteriza por ser muito amplo
e permitir operações complexas entre operandos
localizados na memória ou em registros internos.
Esse tipo de arquitectura dificulta o paralelismo
entre as instruções. A maioria dos sistemas CISC,
clássicos de alto desempenho implementa um
sistema que converte essas instruções complexas em
várias instruções simples, geralmente chamadas de
microinstruções.
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Arquitectura CISC
A microprogramação significa que cada
instrução de máquina é interpretada por um
microprograma localizado em uma memória
no circuito integrado do processador.
As instruções compostas são decodificadas
internamente e executadas com uma série de
microinstruções armazenadas em um ROM
interno. Isso requer vários ciclos de clock, pelo
menos um por micro instrução.
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Arquitectura CISC
Dentre os benefícios do CISC, destacam-se os seguintes:
• Reduz a dificuldade de criação de compiladores.
• Permite reduzir o custo total do sistema.
• Reduz os custos de criação de software.
• Melhora a compactação do código.
• Facilita a depuração.
Exemplo de microprocessadores baseados na tecnologia
• CISC: Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486, 
• IBM/64; Intel Pentium 1, II, III e algunsmodelosP4, bem como os 
correspondentes AMD (mesma arquitetura X86)
Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.
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Atributos de CISC
• Múltiplos modos de endereçamento para acesso à
memória.
• Instruções de tamanho variável de acordo com o
modo de endereçamento
• requerem múltiplos ciclos de clock para executar
uma intrução
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Características de Processadores CISC
• Possuem uma lógica de decodificação de
instrução complexa, originada pela necessidade
de suportar modos de endereçamento múltiplos
• Possuem um número pequeno de registradores
de propósito geral, devido ao facto de as
instruções poderem operar directamente na
memória, além de uma quantidade limitada de
espaço.
• Possuem muitos registradores de propósito
específico tais como, apontadores de pilha,
tratadores de interrupção, etc.
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Características de Processadores CISC
• Muitas instruções
• Instruções são complexas
• Microcodificação das instruções
• Alta capacidade de endereçamento para
operações de memória
• Número reduzido de registradores de próposito
geral
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Porque CISC (1)?
• Simplificação do compilador?
– Por um lado, mapeamento “direto” entre a instrução da 
ling. de alto nível e a instrução de máquina
– Por outro lado, difícil de encontrar a instrução de máquina 
que se adeqüe exatamente a instrução da ling. de alto nível
– Otimização mais difícil com instruções complexas
• Programas menores?
– Por um lado, usam menos memória
• Porém memória se tornou mais barata
– Por outro lado, podem parecer menores em forma 
simbólica (tem menos instruções), mas podem ocupar 
muitos bits na memória
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Porque CISC (2)?
• Programas mais rápidos ?
– Tendência em usar instruções mais simples
– Unidade de controle mais complexa e mais memória 
fazem com que aumente o tempo de execução das 
instruções mais simples
• Não está claro que a arquitetura CISC é a 
solução apropriada
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Arquitetura RISC
Microprocessadores RISC (Reduced Instruction Set
Computer) são aqueles que utilizam um pequeno conjunto
de instruções altamente optimizado.
Os primeiros projetos RISC foram desenvolvidos nos anos
70 e 80 pelas universidades de Stanford e Berkeley,
respectivamente.
Ejemplo de microprocesadores basados en la tecnología
RISC: MIPS, Millions Instruction Per Second, PA-RISC,
Hewlett Packard, PARC, Scalable Processor Architecture,
Sun Microsystems, POWER PC, Apple, Motorola e IBM.
• Intel i3, i5, i7 -ARM (celulares, palms, embutidos, etc)
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Desde os primeiros momentos da Indústria de computadores que o cientistas dos
principais fabricantes têm estudado métodos e técnicas que possam aperfeiçoar o
desempenho e a capacidade dos sistemas de computação.
Aos aspectos atribuídos ao primeiro RISC: projetos marcados por volta de 1975
incluem as observações que os compiladores de memória restritos da época eram
frequentemente incapaz de tirar proveitos dos recursos .
O termo é uma linha de arquitetura de processadores que favorecem um conjunto
simples e pequeno de instruções que levam aproximadamente a mesma
quantidade de tempo para serem executadas. A maioria dos microprocessadores
modernos são RISC’s por exemplo DEC Alpha, SPARC,MIPS e Power PC. O
tipo de microprocessador mais usado em Desktops.
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Arquitetura RISC
Algumas características RISC importantes são:
• Execução em um ciclo de clock. Esta característica é
resultado da optimização de cada instrução, aliada a
uma técnica chamada de Pipelining;
• Pepelining é uma técnica que permite execução
simultânea de partes, ou estágios, de instruções,
tornando o processo mais eficiente;
• Grande número de registradores de propósito geral
para evitar uma quantidade elevada de interações com
a memória.
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PIPELINE
Uma técnica de hardware que permite que a CPU realize a busca de
uma ou mais instruções além da próxima a ser executada( é uma
técnica de dividir a execução de uma instrução em fases ou estágios,
abrindo espaço para execução simultânea de múltiplas instruções);
Estas instruções são colocadas em uma fila de memória onde irão
aguardar o momento para serem executados, por exemplo a busca
na memória: execução da instruções e referência memória.
Se utilizarmos esta técnica uma instrução for iniciada a cada ciclo,
mesmo que ela demore mais de uma para finalizar, em média a
regra estaria cumprida. Em cinco ciclos, cinco instruções foram
iniciadas
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• Pipelining
– Introduz paralelismo no ciclo de busca e execução
• Múltiplos processadores
• Arquitetura de computadores com 
conjunto de instruções reduzido (RISC)
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PROCESSAMENTO PARALELO
Há diversos métodos de um processador realizar seu trabalho–executaras 
etapas de um ciclo de instrução.
➢ Processamento simples, sequencial–SISD - Single Instruction, Single 
Data
Uma instrução manipulando um dado.
➢ Processamento paralelo -instrução–SIMD - Single Instruction, 
Multiple Data: 
–uma instrução manipulando múltiplos dados
-controle por pipeline –diversas instruções em etapas diferentes de
execução “simultânea”;
-processamento superescalar – diversas execuções
-multiprocessamento
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Arquitectura RISC
Algumas características RISC importantes
são:
• Conjunto reduzido de instruções
• Instruções menos complexas
• Baixa capacidade de endereçamento para
operações de memória, com apenas duas
instruções básicas, LOAD e STORE
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Características da RISC
• Uma instrução por ciclo de máquina 
– Ciclo de máquina é o tempo para buscar dois operandos 
em registradores, executar uma operação de ULA e 
armazenar resultado em registrador
• Maioria das operações são de registrador para 
registrador
– Exceto lw e sw
• Poucos e simples modos de endereçamento 
• Formato fixo das instruções
• Compiladores devem despender mais tempo e 
esforço 
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Ao contrário dos complexos CISC, os
processadores RISC são capazes de executar
apenas poucas instruções simples, e justamente por
isso que os chips baseados nesta arquitetura são
mais simples e muito mais baratos.
Uma outra vantagem dos processadores que
utilizam essa arquitetura é o fato de terem um
menor número de circuitos internos, permite que
se trabalhe com clocks mais altos. Um bom
exemplo são os processadores Alpha, que em 97 já
operavam a 600 MHz.
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Desvantagens da Arquitectura CISC
• o conjunto de instruções quanto o hardware do 
novo chip tornam-se mais complexos, com a 
evolucao dos microprocessadores
• Instruções diferentes levam quantidades
diferentes de clock do relógio para executar, o
que pode tornar a máquina excessivamente lenta.
• Instruções que demandam tempo de execução, 
além do facto de os programadores terem um 
esforço extra em lembrar-se de examiná-las.
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Desvantagens de RISC
• Qualidade do Código - A performance de um
processador RISC depende directamente do
código gerado pelo programador. No caso de
um código mal desenvolvido o processador
pode gastar um tempo demasiado na
execução das instruções, isto faz com que a
performance de uma máquina RISC
dependa em grande parte da qualidade do
código, gerado pelo programador.
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Desvantagens de RISC
• Expansão do Código - a transição do código pode
acarretar problemas. O termo "expansão do código"
refere-se ao aumento de tamanho que se obtém de um
programa originalmente compilado para uma máquina
CISC, ter sido recompilado para uma máquina RISC.
• Projecto de Sistema - requer sistema de memória rápida
para alimentar suas instruções. Tipicamente sistemas
baseados nesta arquitectura costumam apresentar
grande quantidade de memória cache interna, conhecida
como "first-level cache", o que encarece o projecto.
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Comparacao entre CISC e RISC
RISC CISC
Instruções Simples durante 1 ciclo Instruções complexas durante vários ciclos
Apenas LOAD/STORE referência a memória Qualquer instrução pode referenciar a memória
Alto uso de Pipeline Baixa uso de Pipeline
Instruções executadas pelo Hardware
Instruções interpretadas pelo Micro programa 
(Micro programação)
Instruções com formato fixo Instruções de vários formatos
Poucas Instruções e modo de endereçamentos Muitas Instruções e modo de endereçamentos
Múltiplos conjuntos de registradore Conjunto Único de registradores
A complexidades esta no compilador A complexidade esta no micro programa
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ARQUITETURA CISC RISC
Implementação de Controle Micro programação Hardware
Comprimento das instruções Variável fixo
Numero de registradores Baixo (4 bits a 16 bits) Alto (32 bits a 128 bits)
Numero de instruções Alto (mais de 100)
Médio 
(aproximadamente 64)
Execução de instruções Baixa superposição
Alta superposição 
(Pipeline)
Numero de modos de 
endereçamento
Alto (4 ou mais) Baixo (3 ou menos)
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Controvérsia (1)
• Quantitativa
– Comparar tamanho dos programas e velocidades de execução
• Qualitativa
– Examinar suporte a linguagem de alto nível e uso ideal da 
tecnologia VLSI (Very-Large Scale Integration: circuitos 
integrados)
• Problemas
– Não existem duas máquinas RISC e CISC que sejam 
diretamente comparáveis
– Não existe um conjunto definitivo de programas para teste
– Difícil separar efeitos do hardware dos efeitos do compilador
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Controvérsia (2)
• Problemas...
– Maioria das comparações realizadas em máquinas 
experimentais e não comerciais
– Maioria das máquinas comercias possuem uma mistura de 
características
• Muitos projetos atualmente incorporam 
características CISC e RISC 
• PowerPC – RISC que incorpora características 
CISC 
• Pentium II – CISC que incorpora características 
RISC 
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Controvérsia (2)
• Problemas...
– Maioria das comparações realizadas em máquinas 
experimentais e não comerciais
– Maioria das máquinas comercias possuem uma mistura de 
características
• Muitos projetos atualmente incorporam 
características CISC e RISC 
• PowerPC – RISC que incorpora características 
CISC 
• Pentium II – CISC que incorpora características 
RISC 
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ATUALIDADES 
ESTADO DA ARTE 
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ATUALIDADES
Atualmente não se pode afirmar com 100% de certeza 
que um processador utiliza apenas a arquitetura CISC 
ou RISC, pois os modelos atuais de processadores 
abrigam as características de ambas as arquiteturas. 
Processadores ARM usados em celulares são um com 
exemplo de uso da arquitetura RISC, outro exemplo de 
uso dessa arquitetura é em consoles como o Nintendo 
64 e o Playstation. 
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ATUALIDADES
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Com o passar dos anos, tanto a Intel quanto a AMD perceberam
que usar alguns conceitos da arquitetura RISC em seus
processadores poderia ajudá-las a criar processadores mais
rápidos. Porém, ao mesmo tempo, existia a necessidade de
continuar criando processadores compatíveis com os antigos. A
ideia então passou a ser construir chips híbridos, que fossem
capazes de executar as instruções x86, sendo compatíveis com
todos os programas, mas ao mesmo tempo comportando-se
internamente como chips RISC, quebrando estas instruções
complexas em instruções simples, que podem ser processadas
por seu núcleo RISC.
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PESQUISA - ATUALIDADES
Máquinas Superescalares
O termo escalar é utilizado para distinguir os modelos de 
execução: 
• e uma única instrução manipulando operandos discretos; 
• Das instruções vetoriais, que desencadeiam a ativação em 
paralelo de múltiplos elementos de processamento, todos 
executando uma única operação. 
Além destes dois modelos, existe o que executa várias 
instruções concorrentemente, sem que elas precisem ter o 
mesmo código de operação... Os computadores que possuem 
arquiteturas que implementam múltiplos pipelines
são conhecidos como Superescalares.
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