Procesadores RISC

Procesadores RISC

En arquitectura computacional, RISC (del inglés Reduced Instruction Set Computer, en español Computador con Conjunto de Instrucciones Reducidas) es un tipo de diseño de CPU generalmente utilizado en microprocesadores o microcontroladores con las siguientes características fundamentales:

1. Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.
2. Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.

Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general.

RISC es una filosofía de diseño de CPU para computadora que está a favor de conjuntos de instrucciones pequeñas y simples que toman menor tiempo para ejecutarse. El tipo de procesador más comúnmente utilizado en equipos de escritorio, el x86, está basado en CISC en lugar de RISC, aunque las versiones más nuevas traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones más simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.

La idea fue inspirada por el hecho de que muchas de las características que eran incluidas en los diseños tradicionales de CPU para aumentar la velocidad estaban siendo ignoradas por los programas que eran ejecutados en ellas. Además, la velocidad del procesador en relación con la memoria de la computadora que accedía era cada vez más alta. Esto conllevó la aparición de numerosas técnicas para reducir el procesamiento dentro del CPU, así como de reducir el número total de accesos a memoria.

A finales de los setenta, investigaciones en IBM (y otros proyectos similares en otros lugares), demostraron que la mayoría de esos modos de direccionamientoortogonal eran ignorados por la mayoría de los programas. Esto fue un efecto colateral en el incremento en el uso de compiladores para generar los programas, algo opuesto a escribirlos en lenguaje ensamblador. Los compiladores tendían a ser demasiado tontos en términos de las características que usaban, un efecto colateral del intento por hacerlos pequeños. El mercado se estaba moviendo hacia un uso más generalizado de los compiladores, diluyendo aún más la utilidad de los modelos ortogonales.

Otro descubrimiento fue que debido a que esas operaciones eran escasamente utilizadas, de hecho tendían a ser más lentas que un número pequeño de operaciones haciendo lo mismo. Esta paradoja fue un efecto colateral del tiempo que se utilizaba diseñando los CPU, los diseñadores simplemente no tenían tiempo de optimizar cada instrucción posible, y en vez de esto sólo optimizaban las más utilizadas. Un famoso ejemplo de esto era la instrucción VAX, INDEX, que se ejecutaba más lentamente que un ciclo que implementara el mismo código.

Casi al mismo tiempo, las CPU comenzaron a correr a velocidades mayores que las de la memoria con la que se comunicaban. Aún a finales de los setenta, era aparente que esta disparidad continuaría incrementándose al menos durante la siguiente década, para entonces los CPU podrían ser cientos de veces más rápidos que la memoria. Esto significó que los avances para optimizar cualquier modo de direccionamiento serían completamente sobrepasados por las velocidades tan lentas en las que se llevaban a cabo.

Otra parte del diseño RISC llegó desde las medidas prácticas de los programas en el mundo real. Andrew Tanenbaum reunió muchos de éstos, demostrando así que la mayoría de los procesadores estaban sobredimensionados. Por ejemplo, él demostró que el 98 % de todas las constantes en un programa podían acomodarse en 13 bits, aun cuando cada diseño de CPU dedicaba algunos múltiplos de 8 bits para almacenarlos, típicamente 8, 16 o 32, una palabra entera. Tomando este hecho en cuenta sugiere que una máquina debería permitir que las constantes fuesen almacenadas en los bits sin utilizar de otras instrucciones, disminuyendo el número de accesos a memoria. En lugar de cargar números desde la memoria o los registros, éstos podrían estar ahí mismo para el momento en el que el CPU los necesitara, y por lo tanto el proceso sería mucho más rápido. Sin embargo, esto requería que la instrucción misma fuera muy pequeña, de otra manera no existiría suficiente espacio libre en los 32 bits para mantener constantes de un tamaño razonable.

Fue el pequeño número de modos y órdenes que dio lugar al término conjunto reducido de instrucciones. Ésta no es una definición correcta, ya que los diseños RISC cuentan con una vasta cantidad de conjuntos de instrucciones para ellos. La verdadera diferencia es la filosofía para hacer todo en registros y llamar y guardar los datos hacia ellos y en ellos mismos. Ésta es la razón por la que la forma más correcta de denominar este diseño es cargar-almacenar. Con el paso del tiempo las técnicas de diseño antiguas se dieron a conocer como Computadora con Conjunto de Instrucciones Complejo, CISC por sus siglas en inglés, aunque esto fue solamente para darles un nombre diferente por razones de comparación.

Por esto la filosofía RISC fue crear instrucciones pequeñas, implicando que había pocas, de ahí el nombre conjunto reducido de instrucciones. El código fue implementado como series de esas instrucciones simples, en vez de un sola instrucción compleja que diera el mismo resultado. Esto hizo posible tener más espacio dentro de la instrucción para transportar datos, resultando esto en la necesidad de menos registros en la memoria. Al mismo tiempo la interfaz con la memoria era considerablemente simple, permitiendo ser optimizada.

Sin embargo RISC  también tenía sus desventajas. Debido a que una serie de instrucciones son necesarias para completar incluso las tareas más sencillas, el número total de instrucciones para la lectura de la memoria es más grande, y por lo tanto lleva más tiempo. Al mismo tiempo no estaba claro dónde habría o no una ganancia neta en el desempeño debido a esta limitación, y hubo una batalla casi continua en el mundo de la prensa y del diseño sobre los conceptos de RISC.

Historia

Mientras la filosofía de diseño RISC se estaba formando, nuevas ideas comenzaban a surgir con un único fin: incrementar drásticamente  el rendimiento de la CPU.

Al principio de la década de los ochenta se pensaba que los diseños existentes estaban alcanzando sus límites teóricos. Las mejoras de la velocidad en el futuro serían hechas con base en procesos mejorados, esto es, pequeñas características en el chip. La complejidad del chip podría continuar como hasta entonces, pero un tamaño más pequeño podría resultar en un mejor rendimiento del mismo al operar a más altas velocidades de reloj. Se puso una gran cantidad de esfuerzo en diseñar chips para computación paralela, con vínculos de comunicación interconstruidos. En vez de hacer los chips más rápidos, una gran cantidad de chips serían utilizados, dividiendo la problemática entre éstos. Sin embargo, la historia mostró que estos miedos no se convirtieron en realidad, y hubo un número de ideas que mejoraron drásticamente el rendimiento al final de la década de los ochenta.

Una idea era la de incluir un canal por el cual se pudieran dividir las instrucciones en pasos y trabajar en cada paso muchas instrucciones diferentes al mismo tiempo. Un procesador normal podría leer una instrucción, decodificarla, enviar a la memoria la instrucción de origen, realizar la operación y luego enviar los resultados. La clave de la canalización es que el procesador pueda comenzar a leer la siguiente instrucción tan pronto como termine la última instrucción, significando esto que ahora dos instrucciones se están trabajando (una está siendo leída, la otra está comenzando a ser decodificada), y en el siguiente ciclo habrá tres instrucciones. Mientras que una sola instrucción no se completaría más rápido, la siguiente instrucción sería completada enseguida. La ilusión era la de un sistema mucho más rápido. Esta técnica se conoce hoy en día como Segmentación de cauce.

Otra solución más era utilizar varios elementos de procesamiento dentro del procesador y ejecutarlos en paralelo. En vez de trabajar en una instrucción para sumar dos números, esos procesadores superescalares podrían ver la siguiente instrucción en el canal y tratar de ejecutarla al mismo tiempo en una unidad idéntica. Esto no era muy fácil de hacer, sin embargo, ya que algunas instrucciones dependían del resultado de otras instrucciones.

Ambas técnicas se basaban en incrementar la velocidad al añadir complejidad al diseño básico del CPU, todo lo opuesto a las instrucciones que se ejecutaban en el mismo. Siendo el espacio en el chip una cantidad finita, para poder incluir todas esas características algo más tendría que ser eliminado para hacer hueco. RISC se encargó de tomar ventaja de esas técnicas, esto debido a que su lógica para el CPU era considerablemente más simple que la de los diseños CISC. Aun con esto, los primeros diseños de RISC ofrecían una mejora de rendimiento muy pequeña, pero fueron capaces de añadir nuevas características y para finales de los ochenta habían dejado totalmente atrás a sus contrapartes CISC. Con el tiempo esto pudo ser dirigido como una mejora de proceso al punto en el que todo esto pudo ser añadido a los diseños CISC y aun así caber en un solo chip, pero esto tomó prácticamente una década entre finales de los ochenta y principios de los noventa.

Caracteristicas

En pocas palabras esto significa que para cualquier nivel de desempeño dado, un chip RISC típicamente tendrá menos transistores dedicados a la lógica principal. Esto permite a los diseñadores una flexibilidad considerable; así pueden, por ejemplo:

• Incrementar el tamaño del conjunto de registros.
• Mayor velocidad en la ejecución de instrucciones.
• Implementar medidas para aumentar el paralelismo interno.
• Añadir cachés enormes.
• Añadir otras funcionalidades, como E/S y relojes para minicontroladores.
• Construir los chips en líneas de producción antiguas que de otra manera no serían utilizables.
• No ampliar las funcionalidades, y por lo tanto ofrecer el chip para aplicaciones de bajo consumo de energía o de tamaño limitado.

Las características que generalmente son encontradas en los diseños RISC son:

• Codificación uniforme de instrucciones (ejemplo: el código de operación se encuentra siempre en la misma posición en cada instrucción, la cual es siempre una palabra), lo que permite una decodificación más rápida.
• Un conjunto de registros homogéneo, permitiendo que cualquier registro sea utilizado en cualquier contexto y así simplificar el diseño del compilador (aunque existen muchas formas de separar los ficheros de registro de entero y coma flotante).
• Modos de direccionamiento simple con modos más complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples.
• Los tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones para tratar con tipos byte, cadena) no se encuentran en una máquina RISC

Los diseños RISC también prefieren utilizar como característica un modelo de memoria Harvard, donde los conjuntos de instrucciones y los conjuntos de datos están conceptualmente separados; esto significa que el modificar las direcciones donde el código se encuentra pudiera no tener efecto alguno en las instrucciones ejecutadas por el procesador (porque la CPU tiene separada la instrucción y el caché de datos, al menos mientras una instrucción especial de sincronización es utilizada). Por otra parte, esto permite que ambos cachés sean accedidos separadamente, lo que puede en algunas ocasiones mejorar el rendimiento.

Muchos de esos diseños RISC anteriores también compartían una característica no muy amable, el slot de salto retardado (Delay Slot). Un slot de salto retardado es un espacio de instrucción siguiendo inmediatamente un salto. La instrucción en este espacio es ejecutada independientemente de si el salto se produce o no (en otras palabra el salto es retardado). Esta instrucción mantiene la ALU de la CPU ocupada por el tiempo extra normalmente necesario para ejecutar una brecha. Para utilizarlo, recae en el compilador la responsabilidad de reordenar las instrucciones de manera que el código sea coherente para ejecutar con esta característica. En nuestros días el slot de salto retardado se considera un desafortunado efecto colateral de la estrategia particular por implementar algunos diseños RISC. Es por esto que los diseños modernos de RISC, tales como ARM, PowerPC, y versiones más recientes de SPARC y de MIPS, generalmente eliminan esta característica.

RISC moderno

La investigación de Berkeley no fue comercializada directamente, pero el diseño RISC-II fue utilizado por Sun Microsystems para desarrollar el SPARC, porPyramid Technology para desarrollar sus máquinas de multiprocesador de rango medio, y por casi todas las compañías unos años más tarde. Fue el uso de RISC por el chip de SUN en las nuevas máquinas el que demostró que los beneficios de RISC eran reales, y sus máquinas rápidamente desplazaron a la competencia y esencialmente se apoderaron de todo el mercado de estaciones de trabajo.

John Hennessy dejó Stanford para comercializar el diseño MIPS, comenzando una compañía conocida como MIPS Computer Systems Inc. Su primer diseño fue el chip de segunda generación MIPS-II conocido como el R2000. Los diseños MIPS se convirtieron en uno de los chips más utilizados cuando fueron incluidos en las consolas de juego Nintendo 64 y PlayStation. Hoy son uno de los procesadores integrados más comúnmente utilizados en aplicaciones de alto nivel por Silicon Graphics.

IBM aprendió del fallo del RT-PC y tuvo que continuar con el diseño del RS/6000 basado en su entonces nueva arquitectura IBM POWER. Entonces movieron sus computadoras centrales S/370 a los chips basados en IBM POWER, y se sorprendieron al ver que aun el conjunto de instrucciones muy complejas (que era parte del S/360 desde 1964) corría considerablemente más rápido. El resultado fue la nueva serie System/390 que aún hoy en día es comercializada como zSeries. El diseño IBM POWER también se ha encontrado moviéndose hacia abajo en escala para producir el diseño PowerPC, el cual eliminó muchas de las instruccionessolo IBM y creó una implementación de chip único. El PowerPC fue utilizado en todas las computadoras Apple Macintosh hasta 2006, y está comenzando a ser utilizado en aplicaciones automotrices (algunos vehículos tienen más de 10 dentro de ellos), las consolas de videojuegos de última generación (PlayStation 3, Wii yXbox 360) están basadas en PowerPC.

Casi todos los demás proveedores se unieron rápidamente. De los esfuerzos similares en el Reino Unido resultó el INMOS Trasputer, el Acorn Archimedes y la línea Advanced RISC Machine, la cual tiene un gran éxito hoy en día. Las compañías existentes con diseños CISC también se unieron a la revolución. Intel lanzó el i860 y el i960 a finales de los ochenta, aunque no fueron muy exitosos. Motorola construyó un nuevo diseño pero no le vio demasiado uso y eventualmente lo abandonó, uniéndose a IBM para producir el PowerPC. AMD lanzó su familia 29000 la cual se convirtió en el diseño RISC más popular a principios de los noventa.

Hoy en día los microcontroladores y CPU RISC representan a la vasta mayoría de todos los CPU utilizados. La técnica de diseño RISC ofrece poder incluso en medidas pequeñas, y esto ha venido a dominar completamente el mercado de CPU integrados de bajo consumo de energía. Los CPU integrados son por mucho los procesadores más comunes en el mercado: considera que una familia completa con una o dos computadoras personales puede poseer varias docenas de dispositivos con procesadores integrados. RISC se ha apoderó completamente del mercado de estación de trabajo. Después del lanzamiento de la SUN SPARCstation los otros proveedores se apuraron a competir con sus propias soluciones basadas en RISC. Aunque hacia 2006-2010 las estaciones de trabajo pasaron a la arquitectura x86-64 de Intel y AMD. Incluso el mundo de las computadoras centrales está ahora basado completamente en RISC.

Esto es sorprendente en vista del dominio del Intel x86 y x86 64 en el mercado de las computadoras personales de escritorio (ahora también en el de estaciones de trabajo), ordenadores portátiles y en servidores de la gama baja. Aunque RISC fue capaz de avanzar en velocidad muy rápida y económicamente

Fuentes:

http://www.azc.uam.mx/publicaciones/enlinea2/num1/1-2.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Reduced_instruction_set_computing

http://www.test-ipv6.consulintel.es/Html/Tutoriales/Articulos/risc.html