CARLOS ANDRÉS BUITRAGO FOREROJOSÉ ALFREDO CRUZ JIMÉNEZ

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

ELECTRÓNICA DIGITAL IIIng. JOSIE ESTEBAN RODRÍGUEZ CONDÍA

TEMAS ARQUITECTURAS RISC Y

ARQUITECTURAS CISC

ARQUITECTURAS HARVARD Y ARQUITECTURAS VON NEWMANN

Los procesadores se agrupan hoy en dos familias, la más antigua y común de las cuales es la "CISC": Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo. Esto corresponde a procesadores que son capaces de ejecutar un gran número de instrucciones pre-definidas en lenguaje de máquina (del orden del centenar).

Desde hace unos años se fabrican y utilizan en algunas máquinas procesadores "RISC”: Computadoras con un conjunto de instrucciones reducido. Esto permite una ejecución más rápida de las instrucciones pero requiere compiladores más complejos. Se obtiene una ganancia en velocidad por el hecho que el RISC domina instrucciones muy frecuentes mientras son operaciones menos frecuentes las que deben descomponerse.

CISC → Complex Instruction Set Computer

RISC → Reduced Instruction Set Computer

ARQUITECTURAS RISC Y ARQUITECTURAS CISC

ARQUITECTURAS CISC(Computadoras con un conjunto de instrucciones complejo)

Los microprocesadores CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los registros internos.

La microprogramación es una característica importante y esencial de casi todas las arquítecturas CISC. La microprogramación significa que cada instrucción de máquina es interpretada por un microprograma localizado en una memoria en el circuito integrado del procesador.

Este tipo de arquitectura dificulta el paralelismo entre instrucciones, por lo que, en la actualidad, la mayoría de los sistemas CISC de alto rendimiento implementan un sistema que convierte dichas instrucciones complejas en varias instrucciones simples del tipo RISC, llamadas microinstrucciones.

Para realizar una sola instrucción un chip CISC requiere de cuatro a diez ciclos de reloj.

OBJETIVO Y CARACTERÍSTICAS DE LA ARQUITECTURA CISC

AMPLIO Y VERSÁTIL: Se dice que el objetivo de la arquitectura de los microprocesadores CISC es ejecutar tareas de procesamiento en el menor número de líneas de código como sea posible.

• Gran cantidad de instrucciones.

• Instrucciones complejas.

• Gran cantidad de modos de direccionamiento.

• Soporta gran cantidad de tipos de datos.

• Implementación de instrucciones de alto nivel lo más directamente posible.

• Reducción del tiempo de ejecución de instrucciones complejas por medio de implementación directa en hardware.

• Compatibilidad con miembros anteriores de la familia.

• Microarquitectura más compleja.

• Instrucciones de longitud variable.

VENTAJAS DE LA ARQUITECTURA CISC:

• Reduce la dificultad de crear compiladores.

• Permite reducir el costo total del sistema.

• Reduce los costos de creación de software.

• Mejora la compactación de código.

• Facilita la depuración de errores.

DESVENTAJAS DE LA ARQUITECTURA CISC:

• Poco uso de las instrucciones y direccionamientos complejos.

• Poco aprovechamiento de parte de los compiladores: no es fácil encontrar la mejor instrucción para ejecutar una tarea.

• Baja densidad de código.

• Accesos a memoria disminuyen velocidad de ejecución.

MICROPROCESADORES BASADOS EN LA TECNOLOGÍA CISC:

• Intel 8086, 8088, 80286, 80386, 80486.

• Motorola 68000, 68010, 68020, 68030, 6840.

ARQUITECTURAS RISC:(Computadoras con un conjunto de instrucciones reducido)

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.

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.

Características…

• 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.

OBJETIVO Y CARACTERÍSTICAS DE LA ARQUITECTURA RISC

IMPLEMENTAR EL CASO FRECUENTE PARA EJECUCIÓN RÁPIDA: El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria.

• Conjunto de instrucciones reducido y simple.

• Conjunto de instrucciones ortogonal (sólo una instrucción para cada función).

• Pocos modos simples de direccionamiento.

• Pocos tipos de datos soportados.

• Gran número de registros de propósito general.

• Longitud de instrucción fija.

VENTAJAS DE LA ARQUITECTURA RISC:

• Microarquitectura más simple.

• Instrucciones más cortas, menos tiempo de acceso a memoria.

• Compiladores más sencillos y eficientes.

• La CPU trabaja mas rápido al utilizar menos ciclos de reloj para ejecutar instrucciones.

• Utiliza un sistema de direcciones no destructivas en RAM. Eso significa que a diferencia de CISC, RISC conserva después de realizar sus operaciones en memoria los dos operandos y su resultado, reduciendo la ejecución de nuevas operaciones.

• Cada instrucción puede ser ejecutada en un solo ciclo del CPU.

DESVENTAJAS DE LA ARQUITECTURA RISC:

• Mayor número de líneas de código para una función.

• Compatibilidad con arquitecturas antiguas es más difícil de mantener.

• Tienen un mercado de software menos difundido que la tecnología Cisc.

MICROPROCESADORES BASADOS EN LA TECNOLOGÍA RISC:

• MIPS, Millions Instruction Per Second.

• PA-RISC, Hewlett Packard.

• SPARC, Scalable Processor Architecture, Sun Microsystems.

• POWER PC, Apple, Motorola e IBM.

CISC vs RISC

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, lo cual se aprovecha con frecuencia para ubicar en el mismo, funciones adicionales.

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.

Hay quienes consideran que en breve los microprocesadores RISC sustituirán a los CISC, pero existe el hecho que los microprocesadores CISC tienen un mercado de software muy difundido.

CISC vs RISC

Hoy en día los RISC obtienen mas prestaciones, es decir, son mas potentes y rápidos que los CISC, sin embargo, el mercado se ha decantado por la tecnología CISC en cuanto a volumen de ventas.

Si bien el campo de aplicaciones de las arquitecturas RISC de alta capacidad crece con fuerza, esto no equivale al fin de otras arquitecturas de procesadores y controladores acreditadas que también seguirán perfeccionándose, lo que si resulta dudoso es la creación de familias CISC completamente nuevas.

CISC tiene un coste "razonable", que es alcanzado a nivel de usuario, lo que no ocurre con los RISC, que tienen un coste elevado, por esto mismo esta tecnología ha sido enfocada a ventas a nivel de empresa y equipos de gama alta.

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.

CISC vs RISC

ARQUITECTURAS HARVARD Y ARQUITECTURAS VON NEWMANN

Relación al uso y distribución de la memoria

ARQUITECTURA VON NEWMANN

John von Neumann, (28 de diciembre de 1903 - 8 de febrero de 1957) fue uno de los más grandes matemáticos del siglo XX.

Húngaro-estadounidense que realizó contribuciones importantes en física cuántica, análisis funcional, teoría de conjuntos, ciencias de la computación, economía, análisis numérico, cibernética, estadística y muchos otros campos de la matemática.

Tradicionalmente los sistemas con microprocesadores se basan en esta arquitectura, en la cual la unidad central de proceso (CPU), está conectada a una memoria principal única (casi siempre sólo RAM) donde se guardan las instrucciones del programa y los datos. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (control, direcciones y datos).

ARQUITECTURA VON NEWMANN

En un sistema con arquitectura Von Neumann el tamaño de la unidad de datos o instrucciones está fijado por el ancho del bus que comunica la memoria con la CPU. Así un microprocesador de 8 bits con un bus de 8 bits, tendrá que manejar datos e instrucciones de una o más unidades de 8 bits (bytes) de longitud. Si tiene que acceder a una instrucción o dato de más de un byte de longitud, tendrá que realizar más de un acceso a la memoria.

El tener un único bus hace que el microprocesador sea más lento en su respuesta, ya que no puede buscar en memoria una nueva instrucción mientras no finalicen las transferencias de datos de la instrucción anterior.

1) Obtiene la siguiente instrucción desde la memoria en la dirección indicada por el contador de programa y la guarda en el registro de instrucción.2) Aumenta el contador de programa en la longitud de la instrucción para apuntar a la siguiente.3) Descodifica la instrucción mediante la unidad de control. Ésta se encarga de coordinar el resto de componentes del ordenador para realizar una función determinada.4) Se ejecuta la instrucción. Ésta puede cambiar el valor del contador del programa, permitiendo así operaciones repetitivas.5) Regresa al paso N°

Principales limitaciones:

La limitación de la longitud de las instrucciones por el bus de datos, que hace que el microprocesador tenga que realizar varios accesos a memoria para buscar instrucciones complejas.

La limitación de la velocidad de operación a causa del bus único para datos e instrucciones que no deja acceder simultáneamente a unos y otras, lo cual impide superponer ambos tiempos de acceso.

ARQUITECTURA HARVARD

El término proviene de la computadora Harvard Mark I, que almacenaba las instrucciones en cintas perforadas y los datos en interruptores.

Este modelo, que utilizan los Microcontroladores PIC, tiene la unidad central de proceso (CPU) conectada a dos memorias (una con las instrucciones y otra con los datos) por medio de dos buses diferentes. Una de las memorias contiene solamente las instrucciones del programa (Memoria de Programa), y la otra sólo almacena datos (Memoria de Datos).

Ambos buses son totalmente independientes lo que permite que la CPU pueda acceder de forma independiente y simultánea a la memoria de datos y a la de instrucciones. Como los buses son independientes estos pueden tener distintos contenidos en la misma dirección y también distinta longitud. También la longitud de los datos y las instrucciones puede ser distinta, lo que optimiza el uso de la memoria en general.

Esta arquitectura ofrece la posibilidad de poder acceder a una sola instrucción en un ciclo de reloj. Mientras la memoria de programa es accedida la memoria de datos esta en un bus independiente y puede ser leída y escrita. Esta separación de buses permite que una instrucción sea ejecutada mientras la siguiente es extraída. 

VENTAJAS

El tamaño de las instrucciones no esta relacionado con el de los datos, y por lo tanto puede ser optimizado para que cualquier instrucción ocupe una sola posición de memoria de programa, logrando así mayor velocidad y menor longitud de programa.

El tiempo de acceso a las instrucciones puede superponerse con el de los datos, logrando una mayor velocidad en cada operación.

Hoy en día la gran mayoría de los equipos son construidos con la arquitectura Von Newmann debido a las capacidades del diseño, como la implementación y operación de un programa en vez de dos, aunque puede ser más lenta para determinadas tareas, es más flexible y permite más conceptos como la programación libre, procesador de textos, etc

REFERENCIAS:

Tanembaum, Andrew S. (1992) “Organización de Computadoras. Un Enfoque Estructurado” Ed. Prentice Hall.

Rolf Jurgen B. “Del CISC al RISC: Aumento explosivo de la potencia en los microprocesadores” Revista Siemens Año 51 Enero/Marzo 1991. Siemens Aktiengesellschaft. Munich, RFA.

Hernández, Luis. “¿RISC O CISC?” PC/TIPS BYTE. Año 5 No. 50 Marzo de 1992.

Abrams, Marshall D. (1973). Computer Hardware and Software. Madrid. Addison-Wesley

Coello, Carlos A. (2003). Breve Historia de la computación y Sus Pioneros. Colección . Sección de Obras de Ciencia y Tecnología

Tremblay Paul.J. (1982) Introducción a la ciencia de las computadoras. México. McGraw-Hill.

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