RISCxCISC

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RISC X CISC - Pipeline
IFBA – Instituto Federal de Educ. Ciencia e Tec Bahia
Curso de Analise e Desenvolvimento de Sistemas
Arquitetura de Computadores – 25 e 26/30
Prof. Msc. Antonio Carlos Souza
Referências Bibliográficas:
1. Ciência da Computação: Uma visão abrangente - J.Glenn 
Brokshear
2. Introdução à organização de computadores – Mário
Monteiro – LTC
3. Organização Estrutura de Computadores – Andrew S. 
Tanembaum - LTC
Hierarquia de Memória
Hierarquia de memória oferece a possibilidade de reduzir a 
diferença entre a velocidade de processamento da CPU e o tempo 
de acesso à memória.
registradores cache memória principal memória secundária
CPU
aumenta a capacidade de armazenamento
diminui o tempo de acesso
¡¡ Problema 1:Problema 1: Como construir computadores de baixo 
custo capazes de executar todas as instruções 
complexas de máquinas de alto desempenho, muito 
mais caras? 
¡ Uma implementação em hardware puro (sem 
interpretação) é usada somente nos computadores 
mais caros.
¡ Uma implementação com interpretador de instrução 
(por software) é usada em computadores mais 
baratos.
Execução de InstruçõesExecução de Instruções
¡ Vantagens do interpretador em relação ao 
hardware puro 
l Capacidade de corrigir no campo eventuais erros na 
implementação de instruções
l Oportunidade de incorporar novas instruções nas 
máquinas já existentes
l Projeto estruturado que permite o desenvolvimento, 
teste e documentação de instruções complexas de 
maneira eficiente. Pode substituir implementações 
antigas de instruções.
l Armazenamento das microinstruções do interpretador 
em memórias read-only (ROM), chamadas de memória 
de controle, muito mais rápidas do que as memórias 
convencionais. 
Execução de InstruçõesExecução de Instruções
¡ Problema 2: O uso da interpretação permitiu a 
criação de um conjunto grande de instruções de
importância discutível e que eram difíceis e caras 
para serem implementadas diretamente por 
hardware (circuitos muito complexos). 
Execução de InstruçõesExecução de Instruções
CISC CISC -- ComplexComplex InstructionInstruction Set Set ComputerComputer
¡ Tecnologia mais antiga e usada para famílias de 
computadores compatíveis a nível de software.
¡ Número maior de instruções (~200 a 300 
instruções).
¡ Uso extensivo de interpretação (principalmente para 
modelos mais baratos).
RISC versus CISCRISC versus CISC
RISC RISC -- ReducedReduced InstructionInstruction Set Set ComputerComputer
¡ Processador com pequeno número de instruções 
muito simples.
¡ Instruções capazes de serem executadas em um 
único ciclo do caminho de dados.
RISC versus CISCRISC versus CISC
Argumento RISCArgumento RISC: Mesmo que uma máquina RISC 
precisasse de 4 ou 5 instruções para fazer o que uma 
máquina CISC faria com apenas 1 instrução, se a 
instrução RISC fosse 10 vezes mais rápida (só
hardware) a máquina RISC venceria. 
¡¡ QuestãoQuestão: Porque então a tecnologia RISC não : Porque então a tecnologia RISC não 
suplantou a CISC ?suplantou a CISC ?
¡ Problemas de compatibilidade com máquinas antigas 
com software já desenvolvido.
¡ Aparecimento de soluções híbridas: Por exemplo, a 
INTEL usa RISC para instruções de uso mais freqüente 
(Núcleo RISC) e interpretação para instruções mais 
complexas e de uso menos freqüente.
RISC versus CISCRISC versus CISC
RISC
¡ Menor Quantidade de Instruções e 
Tamanho Fixo
¡ Execução Otimizada de Chamada de 
Funções
¡ Menor Quantidade de Modos de 
Endereçamento
¡ Modo de Execução com Pipelining
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ Todas as instruTodas as instruçções são diretamente executadas por ões são diretamente executadas por 
hardware hardware 
¡¡ Maximizar a Taxa Maximizar a Taxa àà qual as instruqual as instruçções são executadas ões são executadas 
¡¡ As instruAs instruçções precisam ser facilmente decodificadas ões precisam ser facilmente decodificadas 
¡¡ Somente as InstruSomente as Instruçções de ões de LoadLoad e e StoreStore devem devem 
referenciar a Memreferenciar a Memóóriaria
¡¡ Projetar uma mProjetar uma mááquina com muitos registradores (>= quina com muitos registradores (>= 
32)32)
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ Todas as Todas as intruintruççõesões são diretamente executadas por são diretamente executadas por 
hardwarehardware
ll Não existe o nNão existe o níível de vel de microinstrumicroinstruççãoão
ll Para mPara mááquina com filosofia CISC as instruquina com filosofia CISC as instruçções, em geral ões, em geral 
menos menos frequentesfrequentes, que não existem em hardware são , que não existem em hardware são 
interpretadasinterpretadas
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ Maximizar a Taxa Maximizar a Taxa àà qual as instruqual as instruçções são executadasões são executadas
ll Uso de paralelismo: execuUso de paralelismo: execuçção de vão de váárias instrurias instruçções lentas ões lentas 
ao mesmo tempoao mesmo tempo
ll ExecuExecuçção de instruão de instruçções não precisa seguir a lões não precisa seguir a lóógica da gica da 
programaprogramaççãoão
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ As instruAs instruçções precisam ser facilmente decodificadasões precisam ser facilmente decodificadas
ll decodificadecodificaçção influencia na velocidade de execuão influencia na velocidade de execuçção das ão das 
instruinstruççõesões
ll decodificadecodificaçção determina os recursos a serem usados na ão determina os recursos a serem usados na 
execuexecuçção das instruão das instruççõesões
ll quanto menor o nquanto menor o núúmero de formatos, mais fmero de formatos, mais fáácil a cil a 
decodificadecodificaççãoão
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ Somente as InstruSomente as Instruçções de ões de LoadLoad e e StoreStore devem devem 
referenciar a Memreferenciar a Memóóriaria
ll Acesso a memAcesso a memóória ria éé mais lentomais lento
ll InstruInstruçções que acessam a memões que acessam a memóória podem ser ria podem ser 
intercaladas com outras instruintercaladas com outras instruççõesões
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ Projetar uma mProjetar uma mááquina com muitos registradores (>= quina com muitos registradores (>= 
32)32)
ll Palavras de memPalavras de memóória devem permanecer nos ria devem permanecer nos 
registradores o maior tempo possregistradores o maior tempo possíívelvel
ll Faltade registradores pode obrigar a buscar varias vezes Falta de registradores pode obrigar a buscar varias vezes 
a mesma palavra da mema mesma palavra da memóóriaria
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
Sistemas Risc comerciais
¡ SPARC = Sun Microsystems - 1987
¡ RS/6000 = IBM – 1990
¡ ALPHA = DEC – 1992
¡ POWER PC = 
IBM/MOTOROLA/APPLE
¡¡ PrincPrincíípios do projeto RISC que os arquitetos de pios do projeto RISC que os arquitetos de 
processadores de propprocessadores de propóósito geral devem seguir:sito geral devem seguir:
¡¡ ObservaObservaçção: ão: Outras soluOutras soluççõesões::
l Existe limite tecnológico para desenvolvimento do 
hardware do chip de processamento que depende do 
estado da arte da tecnologia.
l Solução para aumentar a velocidade do processador: Uso Uso 
de de paralelismoparalelismo.
¡¡ a na níível das instruvel das instruççõesões: um único processador deve 
executar mais instruções por segundo
¡¡ a na níível do processadorvel do processador: vários processadores trabalhando 
juntos na solução do mesmo problema
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
Paralelismo ao NParalelismo ao Níível das Instruvel das Instruççõesões
¡ Maior gargalo para a velocidade de execução de 
instruções é o acesso a memória
¡¡ ExecuExecuçção em ão em PipelinePipeline
l O processamento em pipeline divide a execução de 
instruções em várias partes, cada uma das quais tratada 
por um hardware dedicado exclusivamente a ela.
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
(a) Pipeline de 5 estágios. (b) Estado de cada um dos estágios 
em função do tempo (estão ilustrados 9 períodos do clock).
Paralelismo ao NParalelismo ao Níível das Instruvel das Instruççõesões
¡¡ Funcionamento de um Funcionamento de um pipelinepipeline de 5 estde 5 estáágiosgios
l O estágio 1 busca a instrução da memória e armazena 
num buffer até chegar a hora de executa-la
l No estágio 2 ocorre a decodificação da instrução, 
determinando tipo e operandos
l No estágio 3 ocorre a busca dos operandos na memória 
ou nos registradores
l No estágio 4 tem-se a execução - passagem pelo 
caminho de dados
l No estágio 5 o resultado do processamento é escrito num 
registrador
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos 
Paralelismo ao NParalelismo ao Níível das Instruvel das Instruççõesões
¡ A idéia básica do pipeline é a mesma de uma linha de 
produção em série. Vários processamentos estão sendo 
executados ao mesmo tempo.
¡ A figura mostra o funcionamento do pipeline, 
mostrando que os estos estáágios de cada processamento são gios de cada processamento são 
aplicados a vaplicados a váárias instrurias instruçções ao mesmo tempoões ao mesmo tempo.
l Exemplo: no tempo 1 a instrução 1 está sendo lida, no 
tempo 2 a instrução 1 está sendo decodificada enquanto 
que a instrução 2 está sendo lida, no tempo 3 a instrução 
1 está buscando dados, a instrução 2 está sendo 
decodificada e a instrução 3 está sendo lida, e assim por 
diante. 
Princípios de Projeto para Computadores Modernos Princípios de Projeto para Computadores Modernos