Los avances y progresos en la tecnología de semiconductores, han reducido
las diferencias en las velocidades de procesamiento de los microprocesadores
con las velocidades de las memorias, lo que ha repercutido en nuevas tecnologías
en el desarrollo de microprocesadores. Hay quienes consideran que en breve los
microprocesadores RISC (reduced instruction set computer) sustituirán a los CISC
(complex instruction set computer), pero existe el hecho que los microprocesadores
CISC tienen un mercado de software muy difundido, aunque tampoco tendrán ya
que establecer nuevas familias en comparación con el desarrollo de nuevos
proyectos con tecnología RISC.
La arquitectura RISC plantea en su filosofía de diseño una relación muy
estrecha entre los compiladores y la misma arquitectura como se verá más
adelante.
Veamos primero cual es el significado de los términos CISC y RISC:
CISC (complex instruction set computer) Computadoras con un conjunto de
instrucciones complejo.
RISC (reduced instruction set computer) Computadoras con un conjunto de
instrucciones reducido.
Los atributos complejo y reducido describen las diferencias entre los dos mode
los de arquitectura para microprocesadores solo de forma superficial. Se
requiere de muchas otras características esenciales para definir los RISC y
los CISC típicos. Aun más, existen diversos procesadores que no se pueden
asignar con facilidad a ninguna categoría determinada.
Así, los términos complejo y reducido, expresan muy bien una importante
característica definitiva, siempre que no se tomen solo como referencia las
instrucciones, sino que se considere también la complejidad del hardware del
procesador.
Con tecnologías de semiconductores comparables e igual frecuencia de reloj,
un procesador RISC típico tiene una capacidad de procesamiento de dos a
cuatro veces mayor que la de un CISC, pero su estructura de hardware es tan
simple, que se puede realizar en una fracción de la superficie ocupada por el
circuito integrado de un procesador CISC.
Esto hace suponer que RISC reemplazará al CISC, pero la respuesta a esta
cuestión no es tan simple ya que:
Para aplicar una determinada arquitectura de microprocesador son decisivas
las condiciones de realización técnica y sobre todo la rentabilidad, incluyendo
los costos de software.
Existían y existen razones de compatibilidad para desarrollar y utilizar
procesadores de estructura compleja así como un extenso conjunto de
instrucciones.
La meta principal es incrementar el rendimiento del procesador, ya sea
optimizando alguno existente o se desee crear uno nuevo. Para esto se deben
considerar tres áreas principales a cubrir en el diseño del procesador y estas
son:
La arquitectura.
La tecnología de proceso.
El encapsulado.
La tecnología de proceso, se refiere a los materiales y técnicas utilizadas en
la fabricación del circuito integrado, el encapsulado se refiere a cómo se
integra un procesador con lo que lo rodea en un sistema funcional, que de
alguna manera determina la velocidad total del sistema.
Aunque la tecnología de proceso y de encapsulado son vitales en la elaboración
de procesadores más rápidos, es la arquitectura del procesador lo que hace la
diferencia entre el rendimiento de una CPU (Control Process Unit) y otra. Y es
en la evaluación de las arquítecturas RISC y CISC donde centraremos nuestra
atención.
Dependiendo de cómo el procesador almacena los operandos de las
instrucciones de la CPU, existen tres tipos de juegos de instrucciones:
Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en pilas.
Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en acumulador.
Juego de instrucciones para arquitecturas basadas en registros.
Las arquítecturas RISC y CISC son ejemplos de CPU con un conjunto de
instrucciones para arquítecturas basadas en registros.
La microprogramación es una característica importante y esencial de casi
todas las arquítecturas CISC.
Como por ejemplo:
Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.
Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.
La microprogramación significa que cada instrucción de máquina es
interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el
circuito integrado del procesador.
En la década de los sesentas la micropramación, por sus características, era
la técnica más apropiada para las tecnologías de memorias existentes en esa
época y permitía desarrollar también procesadores con compatibilidad
ascendente. En consecuencia, los procesadores se dotaron de poderosos
conjuntos de instrucciones.
Las instrucciones compuestas son decodificadas internamente y ejecutadas
con una serie de microinstrucciones almacenadas en una ROM interna. Para
esto se requieren de varios ciclos de reloj (al menos uno por microinstrucción).
Buscando aumentar la velocidad del procesamiento se descubrió en base a
experimentos que, con una determinada arquitectura de base, la ejecución
de programas compilados directamente con microinstrucciones y residentes
en memoria externa al circuito integrado resultaban ser mas eficientes,
gracias a que el tiempo de acceso de las memorias se fue decrementando
conforme se mejoraba su tecnología de encapsulado.
Debido a que se tiene un conjunto de instrucciones simplificado, éstas se
pueden implantar por hardware directamente en la CPU, lo cual elimina el
microcódigo y la necesidad de decodificar instrucciones complejas.
En investigaciones hechas a mediados de la década de los setentas, con
respecto a la frecuencia de utilización de una instrucción en un CISC y al
tiempo para su ejecución, se observó lo siguiente:
- Alrededor del 20% de las instrucciones ocupa el 80% del tiempo total de
ejecución de un programa.
- Existen secuencias de instrucciones simples que obtienen el mismo resultado
predeterminadas, pero requieren tiempos de ejecución más cortos.
Las características esenciales de una arquitectura RISC pueden resumirse
como sigue:
Estos microprocesadores siguen tomando como base el esquema moderno de
Von Neumann.
Las instrucciones, aunque con otras características, siguen divididas en tres
grupos:
a) Transferencia.
b) Operaciones.
c) Control de flujo.
Reducción del conjunto de instrucciones a instrucciones básicas simples, con
la que pueden implantarse todas las operaciones complejas.
Arquitectura del tipo load-store (carga y almacena). Las únicas instrucciones
que tienen acceso a la memoria son 'load' y 'store'; registro a registro, con un
menor número de acceso a memoria.
Casi todas las instrucciones pueden ejecutarse dentro de un ciclo de reloj.
Con un control implantado por hardware (con un diseño del tipo load-store),
casi todas las instrucciones se pueden ejecutar cada ciclo de reloj, base
importante para la reorganización de la ejecución de instrucciones por medio
de un compilador.
Pipeline (ejecución simultánea de varias instrucciones). Posibilidad de
reducir el número de ciclos de máquina necesarios para la ejecución de la
instrucción, ya que esta técnica permite que una instrucción puede empezar
a ejecutarse antes de que haya terminado la anterior.
El hecho de que la estructura simple de un procesador RISC conduzca a
una notable reducción de la superficie del circuito integrado, se aprovecha con
frecuencia para ubicar en el mismo, funciones adicionales:
Unidad para el procesamiento aritmético de punto flotante.
Unidad de administración de memoria.
Funciones de control de memoria cache.
Implantación de un conjunto de registros múltiples.
La relativa sencillez de la arquitectura de los procesadores RISC conduce a
ciclos de diseño más cortos cuando se desarrollan nuevas versiones, lo que
posibilita siempre la aplicación de las más recientes tecnologías de
semiconductores. Por ello, los procesadores RISC no solo tienden a ofrecer
una capacidad de procesamiento del sistema de 2 a 4 veces mayor, sino que
los saltos de capacidad que se producen de generación en generación son
mucho mayores que en los CISC.
Por otra parte, es necesario considerar también que:
La disponibilidad de memorias grandes, baratas y con tiempos de acceso
menores de 60 ns en tecnologías CMOS.
Módulos SRAM (Memoria de acceso aleatorio estática) para memorias cache
con tiempos de acceso menores a los 15 ns.
Tecnologías de encapsulado que permiten realizar más de 120 terminales.
Esto ha hecho cambiar, en la segunda mitad de la década de los ochentas,
esencialmente las condiciones técnicas para arquítecturas RISC.
La siguiente tabla esquematiza algunas de las principales características de
las arquítecturas RISC Y CISC.
Resulta un tanto ingenuo querer abarcar completamente los principios de
diseño de las máquinas RISC, sin embargo, se intentará presentar de una
manera general la filosofía básica de diseño de estas maquinas, teniendo
en cuenta que dicha filosofía puede presentar variantes. Es muy importante
conocer estos principios básicos, pues de éstos se desprenden algunas
características importantes de los sistemas basados en microprocesadores
RISC.
En el diseño de una máquina RISC se tienen cinco pasos:
Analizar las aplicaciones para encontrar las operaciones clave.
Diseñar un bus de datos que sea óptimo para las operaciones clave.
Diseñar instrucciones que realicen las operaciones clave utilizando el bus de
datos.
Agregar nuevas instrucciones sólo si no hacen más lenta a la máquina.
Repetir este proceso para otros recursos.
El primer punto se refiere a que el diseñador deberá encontrar qué es lo que
hacen en realidad los programas que se pretenden ejecutar. Ya sea que los
programas a ejecutar sean del tipo algorítmicos tradicionales, o estén
dirigidos a robótica o al diseño asistido por computadora.
La parte medular de cualquier sistema es la que contiene los registros,
el ALU y los 'buses' que los conectan. Se debe optimar este circuito para el
lenguaje o aplicación en cuestión. El tiempo requerido, (denominado tiempo
del ciclo del bus de datos) para extraer los operandos de sus registros, mover
los datos a través del ALU y almacenar el resultado de nuevo en un registro,
deberá hacerse en el tiempo mas corto posible.
El siguiente punto a cubrir es diseñar instrucciones de máquina que hagan un
buen uso del bus de datos. Por lo general se necesitan solo unas cuantas
instrucciones y modos de direccionamiento; sólo se deben colocar
instrucciones adicionales si serán usadas con frecuencia y no reducen el
desempeño de las más importantes.
Siempre que aparezca una nueva y atractiva característica, deberá analizarse
y ver la forma en que se afecta al ciclo de bus. Si se incrementa el tiempo del
ciclo, probablemente no vale la pena tenerla.
Por último, el proceso anterior debe repetirse para otros recursos dentro del
sistema, tales como memoria cache, administración de memoria,
coprocesadores de punto flotante, etcétera.
Una vez planteadas las características principales de la arquitectura RISC
así como la filosofía de su diseño, podríamos extender el análisis y estudio de
cada una de las características importantes de las arquítecturas RISC y las
implicaciones que estas tienen.
El compilador juega un papel clave para un sistema RISC equilibrado.
Todas las operaciones complejas se trasladan al microprocesador por medio
de conexiones fijas en el circuito integrado para agilizar las instrucciones
básicas más importantes. De esta manera, el compilador asume la función de
un mediador inteligente entre el programa de aplicación y el microprocesador.
es decir, se hace un gran esfuerzo para mantener al hardware tan simple
como sea posible, aún a costa de hacer al compilador considerablemente más
complicado. Esta estrategia se encuentra en clara contra posición con las
máquinas CISC que tienen modos de direccionamiento muy complicados. En
la práctica, la existencia en algunos modos de direccionamiento complicados
en los microprocesadores CISC, hacen que tanto el compilador como el
microprograma sean muy complicados.
No obstante, las máquinas CISC no tienen características complicadas como
carga, almacenamiento y salto que consumen mucho tiempo, las cuales en
efecto aumentan la complejidad del compilador.
Para suministrar datos al microprocesador de tal forma que siempre esté
trabajando en forma eficiente, se aplican diferentes técnicas de optimización
en distintos niveles jerárquicos del software.
Los diseñadores de RISC en la empresa MIP y en Hewlett Packard trabajan
según la regla siguiente:
Una instrucción ingresa en forma fija en el circuito integrado del procesador
(es decir, se alambra físicamente en el procesador) si se ha demostrado que
la capacidad total del sistema se incrementa en por lo menos un 1%.
En cambio, los procesadores CISC, han sido desarrollados por equipos
especializados de las empresas productoras de semiconductores y con
frecuencia el desarrollo de compiladores se sigue por separado. Por
consiguiente, los diseñadores de los compiladores se encuentran con una
interfaz hacia el procesador ya definido y no pueden influir sobre la
distribución óptima de las funciones entre el procesador y compilador.
Las empresas de software que desarrollan compiladores y programas de
aplicación, tienden por razones de rentabilidad, a utilizar diferentes
procesadores como usuarios de su software en lugar de realizar una
optimización completa, y aprovechar así las respectivas características de
cada uno. Lo cual también genera otros factores negativos de eficiencia.
Esta limitación de las posibilidades de optimización del sistema, que viene
dada a menudo por una obligada compatibilidad, se superó con los modernos
desarrollos RISC.
Aparte de la base conceptual para el desarrollo de un sistema de computación
de alta calidad, se requieren técnicas especiales para optimizar cada uno de
los factores que determinan la capacidad de procesamiento, la cual, solo
puede definirse con el programa de aplicación.
La información suministrada por un fabricante, sobre la velocidad en mips
(millones de Instrucciones por segundo) que una arquitectura es capaz de
realizar, carece de relevancia hasta que el usuario sepa cuantas instrucciones
genera el respectivo compilador, al traducir su programa de aplicación y
cuánto tiempo tarda la ejecución de estas instrucciones, y solo el análisis de
diferentes pruebas y comparaciones de rendimiento ("benchmarks) da una
idea aproximada, que el usuario puede aplicar para delimitar las arquítecturas
adecuadas.
Dos diferentes puntos de vista acerca de capacidad de procesamiento del
sistema.
Sistema reprogramable. Un usuario que necesite desarrollar un sistema
reprogramable, no está interesado en obtener una alta capacidad de
procesamiento.
Sistema incluido o dedicado. En estos sistemas el principal objetivo es
procesar en forma repetitiva una serie de aplicaciones o funciones
determinadas, y es de suma importancia la mayor cantidad posible de
pruebas y comparaciones de rendimiento ("benchmarks" ) diferentes.
Así, estas pruebas y comparaciones sirven para determinar la capacidad de
procesamiento de los sistemas, pero solo el análisis de varios resultados de
diferentes programas da una idea aproximada de la capacidad de
procesamiento real.
Las arquitecturas CISC utilizadas desde hace 15 años han permitido
desarrollar un gran número de productos de software. Ello representa
una considerable inversión y asegura a estas familias de procesadores un
mercado creciente. Sin embargo, simultáneamente aumentan las aplicaciones
en las cuales la capacidad de procesamiento que se pueda obtener del
sistema es más importante que la compatibilidad con el hardware y el
software anteriores, lo cual no solo es válido en los subsistemas de alta
capacidad en el campo de los sistemas llamados "embedded", en los que
siempre dominaron las soluciones especiales de alta capacidad de
procesamiento sino también para las estaciones de trabajo ("workstations").
Esta clase de equipos se han introducido poco a poco en oficinas, en la
medicina y en bancos, debido a los cada vez mas voluminosos y complejos
paquetes de software que con sus crecientes requerimientos de reproducción
visual, que antes se encontraban solo en el campo técnico de la
investigación y desarrollo.
En este tipo de equipos, el software de aplicación, se ejecuta bajo el sistema
operativo UNIX, el cual es escrito en lenguaje C, por lo que las arquítecturas
RISC actuales están adaptadas y optimizadas para este lenguaje de alto nivel.
Por ello, todos los productores de estaciones de trabajo de renombre, han
pasado en pocos años, de los procesadores CISC a los RISC, lo cual se
refleja en el fuerte incremento anual del número de procesadores RISC,
(los procesadores RISC de 32 bits han visto crecer su mercado hasta en un
150% anual). En pocos años, el RISC conquistará de 25 al 30% del mercado
de los 32 bits, pese al aparentemente abrumador volumen de software basado
en procesadores con el estándar CISC que se ha comercializado en todo el
mundo.
La arquitectura MIPS-RISC ha encontrado, en el sector de estaciones de
trabajo, la mayor aceptación. Los procesadores MIPS son fabricados y
comercializados por cinco empresas productoras de semiconductores,
entre las que figuran NEC y Siemens. Los procesadores de los cinco
proveedores son compatibles en cuanto a las terminales, las funciones y los
bits.
Cada usuario debe decidirse a favor o en contra de determinada arquitectura
de procesador en función de la aplicación concreta que quiera realizar. Esto
vale tanto para la decisión por una determinada arquitectura CISC o RISC,
como para determinar si RISC puede emplearse en forma rentable para una
aplicación concreta.
Nunca será decisiva únicamente la capacidad de procesamiento del
microprocesador, y sí la capacidad real que puede alcanzar el sistema en
su conjunto.
Los costos, por su parte, también serán evaluados.
Supongamos por ejemplo, que el precio de un procesador sea de $500.00
USD, éste será secundario para un usuario que diseña una estación de trabajo
para venderla después a un precio de $100 000.00 USD. Su decisión se
orientará exclusivamente por la potencialidad de este procesador.
RISC ofrece soluciones atractivas donde se requiere una elevada capacidad
de procesamiento y se presente una orientación hacia los lenguajes de alto
nivel.
En el campo industrial existe un gran número de aplicaciones que ni siquiera
agotan las posibilidades de los controladores CISC de 8 bits actuales.
Si bién el campo de aplicaciones de las arquítecturas RISC de alta capacidad
crece con fuerza, esto no equivale al fin de otras arquítecturas de
procesadores y controladores acreditadas que también seguirán
perfeccionándose, lo que si resulta dudoso es la creación de familias CISC
completamente nuevas.
Adoptando técnicas típicas de los procesadores RISC en las nuevas versiones
de procesadores CISC, se intenta encontrar nuevas rutas para el incremento
de la capacidad de las familias CISC ya establecidas.
Entre tanto, los procesadores RISC han conquistado el sector de las
estaciones de trabajo, dominado antes por los procesadores Motorola 68 000,
y es muy probable que acosen la arquitectura Intel en el sector superior de las
PC's.
Las decisiones en el mercado las toman los usuarios, y aquí, el software o la
aplicación concreta juega un papel mucho más importante que las diferencias
entre las estructuras que son inapreciables para el usuario final