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Diferentes arquiteturas de processadores |
Desde o ano passado, um dos assuntos que mais vem ganhando repercução é sobre a Apple migrar de X86 da Intel para seu próprio ARM chamado Apple Silicon, o Linux passar a ter suporte a esse processador da Apple, a NVidia adquirir a arquitetura ARM e o Risc-V passar a ganhar mais notoriedade depois da ultima menção. Depois de tudo o que mencionei, me senti inspirado a escrever este artigo.
Eu já escrevi uma série chamada "Dando uma olhada na arquitetura dos processadores" onde debato como o processador é constituído internamente (andei até mesmo dando uma atualizada tratando da arquitetura de Havard mostrando em que se difere da arquitetura de Von Neumann e pretendo adicionar mais coisas. Mas vamos deixar isso para o futuro Deus permitindo que eu faça).
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O que é arquitetura de processador?
De acordo com o Dicionario de Termos da computação e da Internet (Dictionary of Computer and Internet Terms) arquitetura de processador é um conjunto de instruções que decodificam e executam operações aritméticas e lógicas. Esse conjunto de instruções são denominados ISA (Instruction Set Architecture) e, nas minhas palavras, arquitetura dos processadores é a forma como essas instruções são organizadas. Apesar de popularmente acabarmos tendo contato com apenas com X86, existe uma boa variedade de arquiteturas como CISC, RISC, EPIC e ZISC e Linux é uma fonte abundante para adquirir conhecimento sobre elas.
Dentro das arquiteturas existe uma gama de fabricantes diferentes. Então agora vamos estudar um pouco sobre as arquiteturas, suas variedades e aonde geralmente são aplicadas.
CISC
CISC (Complex Instruction Set Computers) é uma arquitetura construída com muitas instruções de linguagens de máquina diferentes. Tem como objetivo em seu design completar uma tarefa em poucas linhas de código assembly fazendo com que o compilador tenha pouco trabalho para traduzir o código de alto nível. O problema disso é que as suas tarefas acabam exigindo múltiplos ciclos, fazendo com que leve pelo menos duas vezes mais tempo para executá-las.
Ressalva, não confunda CISC com CICS. CICS (Costumer Information Control System) é uma extensão da IBM utilizada no IBM System Z que tem como objetivo tornar fácil escrever programas e permitir usuários entrar, recuperar e atualizar dados através do seu terminal (fortemente utilizado em sistemas de pontos de venda, reservas de hotel e sistemas de cobrança).
Popularmente conhecemos a arquitetura CISC devido aos x86 da Intel, da AMD e da Via (após ter adquirido a antiga Cyrix); mas há outras empresas que também já fabricaram processadores CISC difrentes de x86 como o VAX, o IBM System/370 e o s390 e houve também o Motorola 6800 (também conhecido como m68k ou simplesmente 68k) na década de 80 que foi o primeiro processador de 32 bits amplamente utilizado e foi o processador do vídeo game Mega Drive, do Macintosh (pois é, a migração de PowerPC para Intel e depois de Intel para ARM não são as únicas experiências que a Apple já teve em sua história), dos computadores da HP e da Sun Microsystem. Falando em Sun Microsystem, foi devido o Motorola 6800 que os desenvolvedores de SunOS tornaram o GCC funcional para uso em produção (o que até então, era simplesmente um compilador inviável).
Parece estranho afirmar, mas deve ser dito. Foi o x86 que tornou os PCs interessantes (especificamente o 386 a partir de 1986); mas historicamente o x86 parou de fazer sentido para o mercado há algum tempo. Basta repararmos como exemplo Apple em 2018 que vendeu 217.7 milhões de Iphones e 18.2 milhões de Macs (mais de 10 vezes mais dispositivos ARM, o que a chamou a sua atenção para abandonar o x86).
Abreviação de Reduced Instruction Set Computer (Computador com conjunto de instruções reduzidas) é a arquitetura que realiza processos de forma mais simplificada e que foi projetada para desempenho. Devido haver poucas instruções a serem escolhidas, ela leva menos tempo para identificá-las tornando os resultados mais eficientes e executando os processos mais rapidamente. Foi criada inicialmente na IBM por John Cocke e sua equipe de pesquisadores em 1.974 como controlador de central telefônica (a telefonia sempre tendo importância na computação)
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| John Cocke e o primeiro protótipo de computador RISC que o garantiu os premios Turing Award em 1987, the US National Medal of Technology em 1991 e o the US National Medal of Science em 1994. |
A arquitetura RISC é tão interessante que há um ditado que diz que "O mundo é RISC". E não é de se duvidar já que a arquitetura é utilizada desde Supercomputadores como é o caso do Fugaku a microcontroladores como o H8/300 da Hitachi.
Alguns exemplos de processadores RISC são o Dec Alpha (primeiro processador de 64 bits e primeira arquitetura que Linux foi portado em Novembro de 1994); ARM que é muito famoso em dispositivos móveis devido a seu baixo consumo de energia conservando a bateria por mais tempo; Spark da Sun Microsystem (divisão da Oracle); o PowerPC (que foi desenvolvido pela IBM, Motrola e Apple para competir com a Intel e foi especialmente projetado para emular programas outros tipos de CPU eficientemente. Foi utilizado também no PlayStation 3, no Xbox 360 e consoles da Nintendo como Game Cube, Nintendo Wii e Nintendo Wii U e pelo sistema operacional OS/2); o MIPS, o Cris (utilizado em dispositivos de rede) e até mesmo a série de chips Super FX da empresa britânica Argonaut Games (adquirida pela Synopsy) que foi utilizado em jogos do Super Nintendo como o StarFox e Yoshi's Island possibilitando a renderização de centenas de polígonos 3D simultaneamente e desenhando efeitos em 2D.
Alguns exemplos de processadores RISC são o Dec Alpha (primeiro processador de 64 bits e primeira arquitetura que Linux foi portado em Novembro de 1994); ARM que é muito famoso em dispositivos móveis devido a seu baixo consumo de energia conservando a bateria por mais tempo; Spark da Sun Microsystem (divisão da Oracle); o PowerPC (que foi desenvolvido pela IBM, Motrola e Apple para competir com a Intel e foi especialmente projetado para emular programas outros tipos de CPU eficientemente. Foi utilizado também no PlayStation 3, no Xbox 360 e consoles da Nintendo como Game Cube, Nintendo Wii e Nintendo Wii U e pelo sistema operacional OS/2); o MIPS, o Cris (utilizado em dispositivos de rede) e até mesmo a série de chips Super FX da empresa britânica Argonaut Games (adquirida pela Synopsy) que foi utilizado em jogos do Super Nintendo como o StarFox e Yoshi's Island possibilitando a renderização de centenas de polígonos 3D simultaneamente e desenhando efeitos em 2D.
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| Em Mario World 2: Yoshi's Island foi utilizado o chip Super FX 2 que é um Risc customizado e que possibilitou ao jogo ter elementos 3D e 2D (sim, o jogo é 2.5D), polígonos, cores vivas e amplas, efeitos de iluminação, semitransparência e camadas para que objetos possam passar uns pelos outros. |
RISC VS CISC
Ambos possuem vantagens e desvantagens e ambos conseguem executar os mesmos tipos de programa; o que vai diferenciar é como é o código de máquina do programa. A principio da leitura deste artigo, o RISC aparenta ser superior ao CISC, mas nem tudo são as mil maravilha.
RISC tende a ser mais rápido que CISC SE o acesso a memória for muito rápido; do contrário (se o acesso a memória for relativamente lento) o CISC tende a ser mais rápido que RISC. Além do mais, máquinas RISC tendem a buscar mais instruções da memória para realizar o mesmo trabalho que CISC (ou seja, utiliza-se mais RAM que CISC).
RISC híbrido
RISCs puros utilizam uma instrução por ciclo de clock. Foi aí que eu conheci a geração de RISCs hibridos que utilizam correção nas instruções de comprimento de 16 bits com registradores e endereço de espaço de 32 bits. Isso torna mais fácil para os compiladores gerarem melhores códigos RISC e retomam grande parte da densidade de código dos projetos CISC. Mais informações sobre chips híbridos podem ser conferidos clicando nesses dois links da Renesas e da Design & Recue.
ParthusCeva Announces Architecture Standard for Hybrid DSP/RISC-Based System-on-Chip for ARM Environment
A maioria dos fabricantes hoje tentam combinar as vantagens de cada arquitetura dentro dos seus processadores. A Intel por exemplo, introduziu através do Pentium a possibilidade de seu processador traduzir internamente instruções CISC em RISC (podendo executar duas instruções por ciclo assim como o RISC) e o J64 que planejam uma aproximação do x86-64 ao j4 com compatibilidade a 32 bits (seu design foi elaborado no ano passado). Portanto, dificilmente temos CISCs puros quanto RISCs puros assim como dificilmente encontramos kernel totalmente monolítico quanto totalmente micro-kernel.
A AMD também tinha um projeto de ARM chamado K12 focado em eficiência energética
que era planejado para ser lançado em 2017. O desenvolvimento do K12 inspirou a criação do Opteron A1100 e a engenharia do Ryzen (agradeço ao Anderson Rincon por ter me fornecido a informação sobre o K12 e por ter revisado este texto para mim).
PA-RISC
Foi uma arquitetura RISC desenvolvida pela HP tendo uma ideia de arquitetura mais precisa (daí o PA do seu nome que é a silga de Precision Architecture) porém esse processador foi substituído pela arquitetura EPIC.
Abreviação de Explicitly Parallel Instruction Computing (Computação com instrução explicitamente paralela), foi criada em parceria entre a HP e a Intel para a criação da família Itanium (também conhecida como IA-64) para substituir o PA-RISC. Itanium foi desenvolvido como uma arquitetura de alto desempenho extremamente paralela realizando tal tarefa ao passar as instruções para o compilador que reorganiza o código para o máximo de paralelismo possível enquanto que o hardware foca em executar as instruções. E aqui mora o grande problema, nos compiladores que foi mais critico implementar do que a Intel esperava; o que resultou em um hardware muito caro e com baixa quantidade de software disponível para a arquitetura.
ZISC
ZISC (Zero instruction set computer) é uma arquitetura que se baseia nos princípios de correspondência de padrões e ausência de microinstruções. De acordo com documento de patentes do Google sobre circuito neural (ou neurochip ou redes neurais), essa é a arquitetura talvez mais apropriada para as tecnologias neurais devido a forma como trabalha.
DSP
DSP trata-se na verdade de um processador de sinal de digital (daí o seu nome Digital Signal Processor) que é utilizado para processar áudio (até redução de ruído) e vídeo e é fortemente utilizado em mesas de som e instrumentos musicais. Mas também foi utilizado em cartuchos do Super Nintendo para processar jogos como Super Mario Kart.
Talvez você deva estar pensando por que estou falando deste tipo de chip como uma arquitetura. Bom, a minha ideia era falar sobre DSP no mesmo artigo "Dando uma olhada na arquitetura de processadores" porque, assim como FPU que era chip separado e hoje é incorporado aos processadores, o mesmo pode ocorrer com os DSPs podendo o seu processador possuir instruções DSP adicionadas a ele. De acordo com informações do J-Core (que é um processador que eu acompanho bastante o seu desenvolvimento) as instruções DSP podem quebrar a pipeline do estilo do RISC e eles possuem um novo design de DSP em desenvolvimento.
Bom, finalizo este artigo por aqui acreditando já estar bom por enquanto dado uma boa base de estudo para todo mundo. Pode ser que eu venha atualizá-lo no futuro assim como faço com os demais artigos.
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