O que é CISC (computador de conjunto de instruções complexas)?

Um computador com conjunto de instruções complexo, ou CISC, refere-se a uma abordagem de projeto de processador que utiliza um conjunto amplo e diversificado de instruções para permitir que a CPU execute mais trabalho por instrução.

O que significa CISC?

Um computador com conjunto de instruções complexas (CISC) é um CPU filosofia arquitetônica em que o processador O conjunto de instruções inclui muitas instruções, frequentemente com múltiplos modos de endereçamento e codificações de comprimento variável, de modo que instruções individuais podem executar operações de alto nível e com várias etapas.

Em um projeto CISC, uma instrução pode combinar ações como carregar dados da memória, realizar uma operação aritmética ou lógica e armazenar o resultado, o que pode reduzir o número de instruções. compilador precisa emitir para um determinado programaPara tornar essas instruções complexas práticas, as CPUs CISC normalmente dependem de uma lógica de decodificação e mecanismos de controle substanciais dentro do processador.

Historicamente, isso frequentemente incluía microcódigo que traduzia instruções complexas em etapas internas mais simples que o hardware podia executar. Implementações CISC modernas geralmente mantêm o conjunto de instruções CISC visível ao programador (para compatibilidade), enquanto internamente dividem as instruções em micro-operações menores que podem ser agendadas e executadas em um pipeline mais semelhante ao RISC, equilibrando o suporte a software legado com alto desempenho.

Arquitetura de Computador com Conjunto de Instruções Complexas

Uma arquitetura CISC centra-se num conjunto de instruções rico e visível ao programador, com muitos formatos de instruções e modos de endereçamento. As instruções são frequentemente de comprimento variável e podem operar diretamente na memória (por exemplo, uma instrução pode ler um operando da memória, computá-lo e gravá-lo de volta sem exigir instruções separadas de carga/armazenamento). flexA flexibilidade reduz a quantidade de instruções em programas compilados e mantém a ISA expressiva, mas torna a parte frontal da CPU (busca, decodificação e despacho) mais complexa, pois o processador precisa identificar os limites das instruções, decodificar mais combinações e lidar com mais formatos de operandos.

Dentro da CPU, as implementações CISC modernas normalmente traduzem essas instruções complexas em micro-operações internas mais simples (µops). Um decodificador de front-end (às vezes auxiliado por um mecanismo de microcódigo para instruções mais raras ou complexas) emite µops que fluem pelo núcleo de execução, que pode ser semelhante a um projeto no estilo RISC: unidades funcionais em pipeline, renomeação de registradores, execução fora de ordem. agendamento, previsão de ramificação e múltiplos níveis de esconderijo para ocultar a latência da memória. Essa abordagem "CISC externo, µops interno" preserva a compatibilidade com versões anteriores do ISA CISC estabelecido, ao mesmo tempo que permite alto desempenho e execução eficiente em silício contemporâneo.

Qual é um exemplo de CISC?

Um exemplo comum de CISC é o x86 Conjunto de instruções usado pela maioria das CPUs de desktops e laptops da Intel e da AMD. É considerado CISC porque oferece um grande conjunto de instruções e muitos modos de endereçamento, e algumas instruções podem realizar trabalhos relativamente complexos em uma única etapa, como ler dados da memória, executar uma operação e gravar o resultado de volta, em vez de exigir instruções separadas de carga, computação e armazenamento.

Para que serve o CISC?

As arquiteturas CISC são utilizadas quando a compatibilidade, o amplo suporte de software e a execução eficiente de cargas de trabalho de propósito geral são importantes. Elas são mais frequentemente encontradas em plataformas de computação convencionais, onde um ecossistema maduro e a estabilidade da ISA a longo prazo são grandes vantagens. Os usos mais comuns incluem:

• Computadores PC e laptops de uso geral (plataformas x86)Funciona todos os dias aplicações, navegadoresFerramentas de escritório e aplicativos de mídia em um conjunto de instruções amplamente suportado, com alto desempenho em cargas de trabalho mistas.
• Estações de trabalho e servers. Potencializa computadores com uso intensivo de computação e I / O-cargas de trabalho pesadas, como virtualização, bases de dadose aplicações empresariais, onde uma ISA estável e ampla otimização entre compiladores e sistemas operacionais são valiosos.
• Virtualização e cloud hospedagem. Suporta densidade VM implantações e hosts de contêineres graças à maturidade Hardwares recursos de virtualização e um vasto ecossistema de ferramentas e suporte a sistemas operacionais convidados.
• Compatibilidade com softwares antigos. Mantém aplicativos antigos em execução sem necessidade de reescrita, pois as plataformas CISC (especialmente x86) priorizam a compatibilidade com versões anteriores em diversas gerações de CPUs.
• Sistemas comerciais e industriais com longos ciclos de vidaUtilizado em ambientes onde a atualização de software é cara ou arriscada, portanto, manter a compatibilidade com os binários e cadeias de ferramentas existentes é um requisito prático.

Quais são os benefícios e as limitações do CISC?

Os projetos CISC são construídos em torno de um conjunto de instruções robusto que pode expressar operações complexas em menos instruções, o que simplifica o código compilado e preserva a compatibilidade entre gerações de hardware. Ao mesmo tempo, o suporte a muitos formatos e comportamentos de instruções aumenta a complexidade da CPU, o que pode afetar a eficiência energética, a sobrecarga de decodificação e o custo total do projeto. Esta seção detalha as vantagens do CISC e as desvantagens mais perceptíveis.

Benefícios do CISC

As arquiteturas CISC visam realizar mais trabalho por instrução, fornecendo um conjunto abrangente de operações e modos de endereçamento. Na prática, isso resulta em diversas vantagens, especialmente em ecossistemas onde a compatibilidade e as ferramentas consolidadas são importantes. Entre elas:

• Alta densidade de código (binários menores). Como uma única instrução pode executar tarefas de várias etapas (como acesso à memória e aritmética), os programas geralmente usam menos instruções no geral, o que pode reduzir a pressão sobre a busca de instruções e melhorar a utilização do cache.
• Forte compatibilidade com versões anterioresAs plataformas CISC (principalmente x86) tendem a preservar a capacidade de executar softwares antigos em diversas gerações de CPUs, protegendo aplicações de longa duração e reduzindo os custos de migração.
• Flexmodos de endereçamento possíveisAs instruções CISC podem referenciar a memória de maneiras mais variadas (base + índice + deslocamento, índice escalonado, etc.), o que pode reduzir instruções extras para cálculo de endereço e movimentação de dados.
• Ecossistema maduro de compiladores e ferramentas. As ISAs CISC populares contam com décadas de otimização em compiladores, depuradores, analisadores de desempenho e bibliotecas de performance, facilitando a criação e o ajuste de software.
• Expressão eficiente de operações complexasAlgumas tarefas podem ser codificadas diretamente (por exemplo, manipulação de strings e bits ou operações aritméticas especializadas), o que pode simplificar a saída do compilador e, às vezes, melhorar o desempenho para padrões específicos.
• Desempenho prático em cargas de trabalho mistas. As CPUs CISC modernas frequentemente combinam a estabilidade da ISA CISC com microarquitetura avançada (execução fora de ordem, previsão de desvios, cache profundo), oferecendo alto desempenho em diversas cargas de trabalho do mundo real, mantendo a compatibilidade de software intacta.

Limitações do CISC

O CISC traz consigo algumas desvantagens, pois suportar um grande, flexO conjunto de instruções flexível adiciona complexidade à interface da CPU e à lógica de controle. Essas limitações não tornam o CISC "pior", mas influenciam o consumo de energia, o custo do projeto e a forma como o desempenho é alcançado.

• Decodificação de instruções mais complexasInstruções de comprimento variável e muitos formatos aumentam o trabalho necessário para encontrar os limites das instruções e decodificar os operandos, o que adiciona latência e ferrolhos de sobrepor podem ser usados para proteger uma porta de embutir pelo lado de fora. Alguns kits de corrente de segurança também permitem travamento externo com chave ou botão giratório. design de front-end complexidade.
• Maior complexidade de hardware e custo do silício. Suportar várias instruções, modos de endereçamento e comportamentos legados exige mais lógica de controle (frequentemente incluindo microcódigo), o que pode aumentar o número de transistores e o esforço de validação.
• Potencialmente, maior consumo de energia. Uma interface de usuário e um caminho de controle mais complexos podem aumentar o consumo de energia, especialmente em comparação com ISAs mais simples em ambientes com restrições de energia (embora as implementações modernas variem bastante).
• É mais difícil criar pipelines eficientes no nível ISA. Instruções complexas podem envolver um número variável de etapas internas, o que torna mais difícil projetar um pipeline simples e uniforme sem traduzir as instruções em operações internas menores.
• O desempenho depende muito da tradução interna (µops). Muitas CPUs CISC modernas dividem as instruções em micro-operações; o desempenho depende então da decodificação. largura de banda, caches de µop e eficiência de agendamento, não apenas a "instrução complexa" em si.
• Inchaço da ISA e limitações legadasManter décadas de retrocompatibilidade pode limitar a rapidez com que a ISA pode ser aprimorada e pode forçar o suporte contínuo a instruções raramente usadas que ainda precisam de comportamento correto.
• Menos ideal para aplicações embarcadas de baixíssimo consumo de energia.Em dispositivos pequenos, com custos e consumo de energia limitados, os benefícios de uma ampla compatibilidade e instruções abrangentes podem não compensar a sobrecarga de uma implementação mais complexa.

Perguntas frequentes sobre CISC

Aqui estão as respostas para as perguntas mais frequentes sobre o CISC.

CISC vs. RISC

Vamos examinar as diferenças entre CISC e RISC com mais detalhes:

O CISC reduz o tamanho do programa?

Sim, o CISC pode reduzir o tamanho do programa devido às suas instruções mais abrangentes e flexOs modos de endereçamento flexíveis geralmente permitem que um compilador expresse o mesmo trabalho com menos instruções, o que normalmente produz binários de código de máquina menores (maior densidade de código) do que uma implementação RISC comparável. Dito isso, a vantagem de tamanho depende da carga de trabalho, do compilador e dos detalhes da ISA. Compiladores e recursos RISC modernos (como codificações de instruções compactadas em algumas ISAs) podem reduzir a diferença, portanto, o CISC nem sempre produz programas menores em todos os casos.

Os processadores modernos são CISC?

Muitos processadores modernos são CISC no nível do conjunto de instruções, principalmente os x86/x86-64 Processadores da Intel e da AMD usados ​​na maioria dos PCs e em muitos serversMas uma grande parte das CPUs modernas são RISC (como ARM em celulares e muitos laptops, e RISC-V em sistemas embarcados em crescimento e alguns outros). server(uso de acelerador). Além disso, mesmo quando uma CPU é externamente "CISC" (x86), os projetos modernos geralmente executam instruções internamente como micro-operações mais simples, de modo que a microarquitetura muitas vezes parece RISC, embora o ISA permaneça CISC por questões de compatibilidade.