MICROPROCESSORI VETTORIALI - CISC E RISC

Microprocessori vettoriali I microprocessori vettoriali eseguono operazioni su vettori di dati mediante l’utilizzo di componenti hardware opportunamente adibiti a ciò. Le unità vettoriali, che eseguono le operazioni vettoriali, richiedono generalmente che gli operandi siano memorizzati in registri vettoriali. I registri vettoriali sono un insieme di registri tradizionali a cui si può accedere con una sola istruzione.

I vantaggi dei processori vettoriali sono: • il numero di istruzioni è notevolmente ridotto, in quanto una singola istruzione vettoriale sostituisce un numero considerevole di operazioni scalari; • poiché le componenti di un vettore sono generalmente memorizzate in locazioni di memoria consecutive, l’accesso in memoria risulta più veloce; • quando l’operando entra direttamente nel registro vettoriale si riducono anche i tempi di latenza rispetto a molteplici accessi singoli. CISC e RISC Fino a qualche anno fa si sono confrontati due tipi di architetture interne dei micropro- -cessori: la CISC (Complex Instruction Set Computer) e la RISC (Reduced Instruction Set Computer). Nella sottostante figura è riportato lo schema a blocchi delle CPU CISC, RISC e VLIW. Architettura CISC L’architettura CISC è nata negli anni settanta ed è stata utilizzata per il micro x86 della INTEL. Con i micro aventi questo tipo di architettura sono stati costruiti i PC AMIGA, ATARI e McIntosh precedenti al 1994. È stata una tecnologia predominante nel periodo in cui la memoria non era molto estesa ed era piuttosto costosa. Era quindi necessario usarla in modo ottimale e senza sprechi. Le caratteristiche di un’architettura CISC sono le seguenti: • gap semantico; – set di istruzioni ampio – elevato numero di modi di indirizzamento • hardware semplice; • software più complesso e costoso dell’hardware; • linguaggi ad alto livello sempre più complessi; • le istruzioni hanno una lunghezza variabile, quelle semplici occupano 1 byte di memoria, quelle più lunghe 17 byte. • le istruzioni con lunghezze variabili sono più complesse • da elaborare, in particolare quelle più lunghe; • Control Unit molto più complessa, microprogrammata, più flessibile e meno veloce, necessita di più spazio, quindi le istruzioni più semplici e più usate sono anche le più lente; • i programmi sono più brevi ma attualmente sono vanificati dalla disponibilità di memorie sempre più estese e meno costose; • la semplificazione per il compilatore è piuttosto controversa; • facilità nel debugging dell’assembler; • basso numero di registri. Esempi di processori CISC sono: • DEC VAX • IBM 370 • Intel Pentium. Architettura RISC L’architettura RISC è nata per le workstation Unix e per i computer per applicazioni speciali. A metà degli anni ’80 e ai primi degli anni ’90 anche grazie al fatto che RISC è nata come struttura superscalare, ha superato in prestazioni la CISC. Le sue caratteristiche sono le seguenti: • set molto ridotto di istruzioni; • istruzioni semplici e di lunghezza fissa; • tipologia di istruzioni per trasferimento dati estremamente limitata; • un’istruzione per ciclo; • metodo load/store, ovvero opera solo su operandi presenti nei registri e non su operandi residenti in memoria; dopo l’elaborazione i risultati vengono localizzati in memoria, se necessario; • operazioni di trasferimento da registro a registro e tra memoria e registro; • numero elevato di registri generali, in alternativa compilatori ottimizzati per l’uso dei registri; • esecuzione delle istruzioni in modo più veloce; • ottimizzazione della pipeline basata sul formato fisso delle istruzioni e sui modi semplici di indirizzamento; • costo inferiore; • unità di controllo hardware meno flessibile e più veloce; • maggiore utilizzo della ottimizzazione a livello di compilatore. Le più note CPU di tipo RISC sono: • 801 (1979) dell’IBM; • Berkeley RISC-I (1982); • Berkeley RISC-II (1984); • Stanford MIPS R4000, R6000 della Mips Technologies; • HP della Spectrum; • 88000 della Motorola; • Pyramid della Pyramid Technologies; • SPARC della Sun Microsystem; • 860 dell’Intel; • Alpha della DEC; • PowerPC della IBM.

Confronto tra CISC e RISC Il confronto tra le architetture CISC e RISC non è stata mai possibile per i seguenti motivi: • non esistono architetture direttamente confrontabili; • non esistono programmi di test che consentono una valutazione di tutte le funzionalità dei micro; • non è possibile separare le prestazioni del micro da quelle del compilatore. Tuttavia questo tipo di contrapposizione oggi non ha più ragione di essere perché molte soluzioni tecniche CISC sono state adottate nell’architettura RISC e viceversa. Attualmente sia l’architettura CISC sia la RISC hanno una struttura di tipo superscalare. La sottostante tabella riporta l’elenco cronologico dei microprocessori Intel evidenziando i valori dei parametri caratteristici.

Altre importanti aziende costruttrici di microprocessori sono Motorola, AMD, ARM, HP, IBM. La sigla Pentium è stata introdotta da Intel dopo il 486, per poterne depositare il copyright (la legge americana non consentiva di registrare dei numeri come nome di un prodotto) e contrastare il mercato dei cloni, prodotti prevalentemente dalla AMD. Nella soprastante tabella si nota che fino al Pentium 4 i μP erano realizzati in un unico chip e le prestazioni aumentavano grazie all’incremento del numero dei transistor e della frequenza di clock. Poiché però un ulteriore aumento della densità dei componenti e della frequenza comporta l’insorgere di complicazioni, tra cui quelle legate alla dissipazione termica, si è scelta la strada di moltiplicare il numero dei chip all’interno dell’integrato (multicore: dual core, quad core, 8 core, ecc.) il che consente anche la parallelizzazione delle operazioni. Gordon Moore, uno dei fondatori dell’Intel, in base alle osservazioni del mercato della microelettronica formulò la legge nota come legge di Moore: le prestazioni dei processori, e il corrispondente numero di transistor, raddoppiano ogni 18 mesi. In effetti dal 1971 (introduzione del primo μP) la legge è stata rispettata, fino all’avvento del Pentium 4, con il quale si sono raggiunti i limiti fisici imposti per la riduzione delle dimensioni dei transistor. Da allora, per aumentare le prestazioni di calcolo si è ricorso alla tecnologia multicore, ovvero all’impiego di più processori contenuti nello stesso integrato