RISC
En arquitectura computacional, RISC del inglés Reduced Instruction Set Computer (Conjunto de Instrucciones Computacionales Reducidas —o Regulares). Conjunto de microprocesadores con las siguientes características fundamentales:
Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.
Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a memoria a por datos.
Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general.
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.
Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construcción de microprocesadores. PowerPC, Merced, MIPS, ARM... son ejemplos de algunos de ellos.
RISC es una filosofía de diseño de CPU para computadora que esta a favor de conjuntos de instrucciones pequeños y simples que toman menor tiempo para ejecutarse. La mayor parte de los tipos de microprocesador modernos son RISC, por ejemplo SPARC, MIPS y PowerPC. El tipo de procesador más comúnmente utilizado en equipos de escritorio, el x86, esta basado en CISC en lugar de RISC, aunque los procesadores mas nuevos traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones mas simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.
La idea fué inspirada por el descubrimiento de que muchas de las características que eran incluidas en los diseños tradicionales de CPU para la velocidad estaban siendo ignoradas por los programas que eran ejecutados en ellas. En adición a esto, la velocidad del procesador en relación con la memoria de la computadora que accesaba ya se incrementaba entonces. Esto llevó a un número de técnicas para reducir el procesamiento dentro del CPU, mientras que al mismo tiempo se trataba de reducir el número total de accesos a memoria.
Terminología más moderna se refiere a esos diseños como arquitecturas de cargar-almacenar.
La filosofía de diseño antes de RISC
Uno de los principios básicos de diseño para todos los procesadores es añadir velocidad al proveerles alguna memoria muy rápida para almacenar información temporalmente, estas memorias son conocidas como registros. Por ejemplo, casi cada CPU incluye un comando para sumar dos números. La operación básica de un CPU sería cargar esos dos números en los registros, sumarlos y almacenar el resultado en otro registro, finalmente, tomar el resultado de el último registro y devolverlo a la memoria principal.
Sin embargo, los registros tienen el inconveniente de ser algo complejos para implementar. Cada uno esta representado por transistores en el chip, en este aspecto la memoria principal tiende a ser mucho más simple y económica. Además, los registros le añaden complejidad al cableado, porque la CPU necesita estar conectada a todos y cada uno de los registros para poder utilizarlos por igual.
Como resultado de esto, muchos diseños de CPU limitan el uso de registros de alguna u otra manera. Algunos incluyen pocos registros, aunque esto limita su velocidad. Otros dedican sus registros a tareas específicas para reducir la complejidad; por ejemplo, un registro podría ser capaz de hacer operaciones con uno o mas de los otros registros, mientas que el resultado podría estar almacenado en cualquiera de ellos.
En el mundo de la micro computación de los años setenta esta era más bien un aspecto más de los CPU, ya que estos eran entonces demasiado lentos – de hecho había una tendencia a que el procesador fuera mas lento que la memoria con la que se comunicaba. En esos casos tenía sentido eliminar casi todos los registros y en vez de estos proveer al programador con una buena cantidad de maneras de tratar con la memoria para facilitar su trabajo.
Dado el ejemplo de la suma, la mayoría de los diseños de CPU se enfocaron a crear un comando que pudiera hacer todo el trabajo automáticamente: llamar los dos números que serían sumados, sumarlos, y luego almacenarlos fuera directamente. Otra versión podría leer los dos números de la memoria, pero almacenaría el resultado en un registro. Otra versión podría leer uno de la memoria y otro desde un registro y almacenarlo en la memoria nuevamente. Y asi sucesivamente.
La meta en general en aquel tiempo era proveer cada posible modo de direccionamiento para cada instrucción, un principio conocido como ortogonalidad. Esto llevó a un CPU complejo, pero en teoría capaz de configurar cada posible comando individualmente, haciendo el diseño más rápido en lugar de que el programador utilizara comandos simples.
La última representación de este tipo de diseño puede ser vista en dos equipos, el 6502 por un lado, y el VAX en el otro. El chip 6502 de $25 USD efectivamente tenía solamente un registro, y con la configuración cuidadosa de la interfaz de memoria fué capaz de sobrepasar diseños corriendo a velocidades mayores (como el Zilog Z80 a 4MHz. El VAX era un minicomputador que en una instalación inicial requería 3 gabinetes de equipo para un solo CPU, y era notable por la sorprendente variedad de estilos de acceso a memoria que soportaba, y el hecho de que cada uno de estos estaba disponible para cada instrucción.
Filosofía de Diseño RISC
A finales de los setenta, investigaciones en IBM (y otros proyectos similares en otros lugares) demostraron que la mayoría de esos modos de direccionamiento ortogonal eran ignorados por la mayoría de los programas. Esto fué 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 mas 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 mas 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 mas 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, los CPU comenzaron a correr a velocidades mayores que las de la memoria con la que se comunicaban. Aún a finales de los setentas, era aparente que esta disparidad continuaría incrementándose al menos durante la siguiente década, para entonces los CPU podrían ser cientos de vences mas 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 llego desde las medidas prácticas de los programas en el mundo real Andrew Tanenbaum reunió muchos de estos, demostrando asi que la mayoría de los procesadores estaban sobre diseñados. Por ejemplo, el 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, estos 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 comandos que resulto en el termino Conjunto de Instrucciones Reducidas. Esta no es una definición correcta, ya que los diseños RISC cuentas 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. Esta es la razón por la cual el diseño es mas correctamente nombrado como cargar-almacenar. Con el paso del tiempo las técnicas de diseño antiguas se dieron a conocer como Conjunto de Instrucciones Computacionales Complejas, 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 ellas, de ahí el nombre conjunto de instrucciones reducidas. 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 es 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 es necesario para completar aún tareas sencillas, el número total de instrucciones para la lectura de la memoria es mas grande, y por lo tanto lleva más tiempo. Al mismo tiempo no estaba claro donde o no habría una ganancia neta en el desempeño debido a esta limitación, y hubo una batalla casi continua en el mundo de la presa y del diseño sobre los conceptos de RISC.
Mientras tanto
Mientras la filosofía de diseño RISC se estaba conformando, nuevas ideas sobre como incrementar el desempeño del CPU dramáticamente estaban comenzando a surgir.
Al principio de la década de los ochenta se pensaba que los diseños existentes estaban alcanzando sus límites teóricos. Las mejoras en la velocidad a futuro serían hechas en base a 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 mas rápidos, una gran cantidad de chips serían utilizados, dividiendo la problemática entre estos. Sin embargo, la historia ha mostrado que los miedos originales resultaron no fueron válidos, y hubo un número de ideas que mejoraron dramáticamente le desempeño 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 esta siendo leída, la otra esta comenzando a ser decodificada), y en el siguiente ciclo habrá tres instrucciones. Mientras que una sola instrucción no se completaría mas rápido, la siguiente instrucción sería completada enseguida. La ilusión era la de un sistema mucho más rápido.
Otra solución mas 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 mas tendría que ser removido para hacer espacio. RISC se encargo de tomar ventaja de esas técnicas, esto debido a que su lógica para el CPU era considerablemente mas simple que la de los diseños CISC. Aun con esto, los primeros diseños de RISC tenían un margen de desempeño muy pequeño, pero fueron capaces de añadir nuevas características y para finales de los ochenta habían dejado totalmente atrás a sus contra partes 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 aún así caber en un solo chip, pero esto tomo más de finales de los ochenta y principios de los noventas.
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; ellos pueden, por ejemplo:
Incrementar el tamaño del conjunto de registros
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 hacer nada, ofrecer el chip para aplicaciones de bajo poder 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 de bit en cada instrucción, la cual es siempre es una palabra), lo que permite una decodificación mas 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 archivos de registro de entero y punto flotante); modos de direccionamiento simple con modos mas complejos reemplazados por secuencias de instrucciones aritméticas simples; algunos tipos de datos soportados en el hardware (por ejemplo, algunas máquinas CISC tiene instrucciones para tratar con tipos byte, cadena; tales instrucciones 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 el CPU tiene separada la instrucción y el cache de datos, al menos mientras una instrucción especial de sincronización es utilizada. Por otra parte, esto permite que ambos caches sean accesados separadamente, lo que puede en algunas ocasiones mejorar el rendimiento.
Muchos de esos diseños RISC anteriores también compartían una característica no muy amable, el puerto de brecha de retardo. Un puerto de brecha de retardo es un espacio de instrucción siguiendo inmediatamente un salto o una brecha. La instrucción en este espacio es ejecutada aun si la brecha es tomada o no (en otras palabra el efecto en la brecha es retardado). Esta instrucción mantiene la ALU del CPU ocupada por el tiempo extra que es necesitado normalmente para ejecutar una brecha. En nuestros días el puerto de brecha de retardo es considerado un desafortunado efecto colateral de la estrategia particular por implementar algunos diseños RISC, y los diseños modernos de RISC generalmente eliminan esta característica (tales como PowerPC, y versiones mas recientes de SPARC y de MIPS).
Los primeros diseños RISC
El primer sistema que pudiera ser considerado en nuestros días como RISC no lo era asi en aquellos días; era la supercomputadora CDC 6600, diseñada en 1964 por Seymour Cray.
Cray la diseño como un CPU para cálculos a gran escala (con 74 códigos, comparada con un 8086 400, ademas de 12 computadores simples para manejar los procesos de E/S (la mayor parte del sistema operativo se encontraba en uno de estos).
El CDC 6600 tenía una arquitectura de carga/almacenamiento con tan solo dos modos de direccionamiento. Había once unidades de canalización funcional para la aritmética y la lógica, ademas de cinco unidades de carga y dos unidades de almacenamiento (la memoria tenía multiples bancos para que todas las unidades de carga/almacenamiento pudiesen operar al mismo tiempo). El nivel promedio de operación por ciclo/instrucción era 10 veces más rápido que el tiempo de acceso a memoria.
Los diseños RISC que mas se dieron a conocer sin embargo, fueron aquellos donde los resultados de los programas de investigación de las universidades eran ejecutados con fondos del programa DARPA VLSI. El programa VLSI prácticamente desconocido hoy en día, llevo a un gran número de avances en el diseño de chips, la fabricación y aún en las gráficas asistidas por computadora.
El proyecto RISC de la Universidad de Berkeley comenzo en 1980 bajo la dirección de David Patterson, basándose en la obtención de rendimiento a través del uso de la canalización y un agresivo uso de los registros conocido como ventanas de registro. En un CPU normal se tienen un pequeño número de registros, un programa puede usar cualquier registro en cualquier momento. En un CPU con ventanas de registro, existen un gran número de registros, 128, pero los programas solo pueden utilizan un pequeño número de estos, 8, en cualquier momento.
Un programa que se limita asimismo a 8 registros por procedimiento puede hacer llamadas a procedimientos muy rápidas: La llamada, y el regreso, simplemente mueven la ventana al conjunto de 8 registros de la RAM para limpiar suficiente espacio de trabajo para la subrutina, y el regreso restablece esos valores).
El proyecto RISC entrego el procesador RICS-I en 1982. Consistiendo de solo 44,420 transistores (comparado con promedios de aproximadamente 100,000 en un diseño CISC de esa época) RISC-I solo tenía 32 instrucciones, y aún así sobrepasaba el desempeño de cualquier otro diseño de chip simple. Se continuó con esta tendencia y RISC-II en 1983 tenía 40,760 transistores y 39 instrucciones, con los cuales ejecutaba 3 veces más rápido que el RISC-I.
Casi al mismo tiempo, John Hennessy comenzo un proyecto similar llamado MIPS en la Universidad Stanford en 1981. MIPS se centraba casi completamente en la canalización, asegurándose de que ejecutara tan lleno como fuera posible. Aunque la canalización ya había sido utilizada en otros diseños, varias características del chip MIPS hacían su canalización mucho mas rápida. Lo mas importante, y quizá molesto de estas características era el requerimiento de que todas las instrucciones fueras capaces de completarse en un solo ciclo. Este requerimiento permitía al canal ser ejecutado a velocidades mas altas (no había necesidad de retardos inducidos) y es la responsable de la mayoría de la velocidad del procesador. Sin embargo, también tenía un efecto colateral negativo al eliminar muchas de las instrucciones potencialmente utilizables, como una multiplicación o una división.
El primer intento por hacer un CPU basado en el procesador RISC fue hecho en IBM el cual comenzo en 1975, precediendo a los dos proyectos anteriores. Nombrado en relación al edifición donde se ejecutaba, el trabajo llevó a la creación de la familia de procesadores IBM 801 la cual fue utilizada ampliamente en los equipos de IBM. El 801 fue producido eventualmente en forma de un chip simple parecido al ROMP en 1981, que es loa abreviatura de Research (Office Products Division) Mini Processor. Como implica el nombre, este CPU fue diseñado para tareas pequeñas, y cuando IBM lanzó el diseño basado en el IBM RT-PC en 1986, el rendimiento no era aceptable. A pesar de esto, el 801 inspiro varios proyectos de investigación, incluyendo algunos nuevos dentro de IBM que eventualmente llevarían a su sistema POWER.
En los primeros años, todos los esfuerzos de RISC eran bien conocidos, pero muy confinados a los laboratorios de las universidades que los habían creado. El esfuerzo de Berkeley se dio a conocer tanto que eventualmente se convirtió en el nombre para el proyecto completo. Muchos en la industria de la computación criticaban el que los beneficios del rendimiento no se podían traducir en resultados en el mundo real debido a la eficiencia de la memoria de múltiples instrucciones, y esa fue la razón por la que nadie los estaba utilizando. Pero a comienzos de 1986, todos los proyectos de investigación RISC comenzaron a entregar productos. De hecho, casi todos los procesadores RISC modernos son copias directas del diseño RISC-II.
El RISC Moderno
La investigación de Berkeley no fue comercializada directamente, pero el diseño RISC-II fue utilizado por SUN Microsystems para desarrollar el SPARC, por Pyramid Technology para desarrollar sus máquinas de multiprocesador de rango medio, y por casi todas las compañías unos años mas 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 dejo Stanford para comercializar el diseño MIPS, comenzando una compañía conocida como MIPS Computer Systems. 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 de la marca Nintendo. Hoy son uno de los procesadores integrados mas comúnmente utilizados en aplicaciones de alto nivel.
IBM aprendió de la falla del RT-PC y tuvo que continuar con el diseño del RS/6000 basado en su entonces nueva arquitectura POWER. Entonces movieron sus computadoras centrales S/370 a los chips basados en POWER, y se sorprendieron al ver que aún el conjunto de instrucciones muy complejas (que era parte del S/360 desde 1964) corría considerablemente mas rápido. El resultado fue la nueva serie System/390 que aún hoy en día es comercializada como zSeries. El diseño POWER también se ha encontrado moviéndose hacia abajo en escala para producer el diseño PowerPC, el cual eliminó muchas de las instrucciones solo IBM y creó una implementación de chip único. Hoy en día el PowerPc es utilizado en todas las computadoras Apple Macintosh, y esta comenzando a ser utilizado en aplicaciones automotrices (algunos autos tienes mas de 10 dentro de ellos).
Casi todos los demás proveedores se unieron rápidamente. De los esfuerzos similares en el Reino Unido resulto 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 lanzo su familia 29000 la cual se convirtió en el diseño RISC más popular a principios de los noventa.
Hoy en día los CPU RISC (y los microcontroladores) 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 mas 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 apoderado completamente del mercado de estaciones de trabajo. Después del lanzamiento de la SUN SPARCstation los otros proveedores se apuraron a competir con soluciones basadas en RISC de ellos mismos. Aún el mundo de las computadoras centrales ahora esta basado completamente en RISC.
Esto es sorprendente en vista del dominio del Intel x86 en el mercado de las computadoras personales de escritorio y el mercado de servidores de la gama baja. Aunque RISC fue capaz incluso de avanzar en velocidad muy rápido y económicamente.
Los diseños RISC han llevado a un gran número de plataformas y arquitecturas al éxito, algunas de las mas grandes:
La línea MIPS , que se encuentra en la mayoría de las computadoras de SGI y en el Nintendo 64.
La serie POWER de IBM, utilizadas en todos sus sistemas de mini computadoras y computadoras centrales.
La versión PowerPC de Motorola e IBM(una versión de la serie POWER) utilizada en todas las computadoras Apple Macintosh
El procesador SPARC de SUN Microsystems y el UltraSPARC, que se encuentra en todos sus últimos modelos de equipos.
El PA-RISC y el HP/PA de Hewlett-Packard
El DEC Alpha
El ARM – para Palm, este equipo utilizaba originalmente el Motorola 680x0 basado en CISC, pero ahora utilizan este procesador.
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