Organización de Computadoras I

DIVISIÓN [pic 1]

DE ELECTRÓNICA

Y COMPUTACIÓN

ACADEMIA DE SISTEMAS DIGITALES

CUCEI

[pic 2]

[pic 3]        

Ruelas Olea

Edgar Adan

212227752

Organización de Computadoras I

Contenido

Características de los Microprocesadores ARM, X86-Intel y MIPS        3

Objetivo        3

Introducción        3

Desarrollo        4

¿Cuál es la diferencia entre un procesador ARM, MIPS y un procesador X86-Intel?        4

ARM        5

Evolución ARM        7

Diseño y Características        8

X86        9

MIPS        11

¿Por qué ARM es la elección más popular?        13

Conclusiones        14

Referencias        14

Características de los Microprocesadores ARM, X86-Intel y MIPS

Objetivo

Analizar y comprender las características generales y tendencias en el diseño arquitectónico de los procesadores de mayor auge en el mercado de los Sistemas de Computo; empleados en aplicaciones de escritorio, servidores y dispositivos móviles. 

Introducción

El procesador (CPU, por Central Processing Unit) es el cerebro de la computadora. El cual procesa datos numéricos, es decir, información ingresada en forma binaria y la ejecución de instrucciones almacenadas en memoria.

El procesador es un circuito electrónico que funciona a la velocidad de un reloj interno gracias a un cristal de cuarzo que, cuando esta sometido a una corriente eléctrica, envía pulsos llamados “picos”. La velocidad de reloj (también llamada ciclo), corresponde al número de pulsos por segundo, escrito en Hertz (Hz). Así, una computadora de 200 Mhz tiene un reloj que envía 200, 000,000 de pulsos por segundo. La frecuencia de reloj es generalmente un múltiplo de la frecuencia del sistema (FSB, Front-Side Bus), lo que significa un múltiplo de la frecuencia de la tarjeta madre.

Con cada pico de reloj, el procesador realiza una acción que corresponde a una instrucción o una parte de la misma. Una medida llamada CPI (ciclos por instrucción) da una representación del número promedio de ciclos de reloj requeridos para que un microprocesador ejecute una instrucción. Por lo tanto, la potencia de un microprocesador se puede caracterizar por el número de instrucciones por segundo que es capaz de procesar. MIPS (millones de instrucciones por segundo) es la unidad utilizada y corresponde a la frecuencia del procesador dividida por el IPC.

Desarrollo

¿Cuál es la diferencia entre un procesador ARM, MIPS y un procesador X86-Intel?

Las diferencias reales entre los tres son demasiados para una respuesta. La mayoría de estas sutiles diferencias residen en la forma en que se trata la memoria, se manejan las excepciones, se ejecutan las ramas, etc. Hay muchas diferencias sutiles que están más allá del alcance de una breve respuesta.

RISC vs CISC:

Esta es la diferencia clásica entre ARM / MIPS y x86. RISC significa Reduced Instruction Set Computer y CISC es ISC Completo. X86 es un procesador CISC y ambos ARM / MIPS son RISC. La filosofía detrás de los procesadores CISC es que una sola instrucción puede hacer múltiples cosas; Como agregar un número inmediato con un registro, almacenar este valor en una dirección calculada usando algún otro registro y también establecer banderas aritméticas. Por otro lado, los procesadores RISC tendrían dos instrucciones separadas para esto; Uno para agregar dos números y el otro para almacenar el resultado. Esto aumenta el recuento de instrucciones pero simplifica las instrucciones.

Potencia vs rendimiento:

Instrucciones más simples tienden a consumir menor potencia. Los procesadores x86 suelen estar diseñados para aplicaciones de alto rendimiento como servidores, mientras que los procesadores RISC se utilizan en aplicaciones móviles donde el rendimiento a veces se ve comprometido para una mejor eficiencia de energía. Cabe señalar, sin embargo, que estas líneas se adelgazan todos los días. ARM ha añadido más complejidad a sus instrucciones para obtener un mejor rendimiento y Intel descompone sus opcodes en micro-ops que son ARM como para lograr una mejor potencia. MIPS tal vez sigue siendo el ISA más simple alrededor y se utiliza más fuertemente en las aplicaciones embebidas donde el consumo de energía ultra bajo es necesario.

Seguridad y virtualización:

ARM tiene TrustZone y Intel tiene vPro. Ambas características tienen como objetivo la seguridad del hardware. Tanto ARM como Intel tienen soporte para virtualización y administración de memoria, y difieren sólo en su implementación. Estas son nuevas características que se necesitan en las nuevas aplicaciones y por lo tanto, ambos ISA tienen uno o el otro sabor. Así que usted ve, las diferencias están recortando.

En general, los ISAs sólo importan desde el punto de programación en este momento. El ecosistema de software móvil está mucho mejor desarrollado y mantenido para ARM que para x86. La imagen se invierte cuando se trata de aplicaciones de escritorio. Esa es la razón principal por la que Intel está luchando para entrar en el mercado de móviles y ARM está teniendo dificultades para entrar en los servidores.

Diferencias estructurales:

[pic 4]

ARM

[pic 5]

La arquitectura ARM ha evolucionado para incluir características arquitectónicas para satisfacer la creciente demanda de nuevas funcionalidades, características de seguridad integradas, alto rendimiento y las necesidades de los mercados nuevos y emergentes. Actualmente hay 3 perfiles ARMv8, el perfil de arquitectura ARMv8-A para mercados de alto rendimiento como móviles y empresariales, el perfil de arquitectura ARMv8-R para aplicaciones embebidas en automoción y control industrial y el perfil de arquitectura ARMv8-M para aplicaciones embebidas e IoT .

La arquitectura ARM soporta implementaciones en una amplia gama de puntos de rendimiento, estableciéndolo como la arquitectura líder en muchos segmentos del mercado. La arquitectura ARM soporta una gama muy amplia de puntos de rendimiento que conduce a implementaciones muy pequeñas de procesadores ARM e implementaciones muy eficientes de diseños avanzados utilizando técnicas de microarquitectura de última generación. El tamaño de la implementación, el rendimiento y el bajo consumo de energía son atributos clave de la arquitectura ARM.

La arquitectura ARM es similar a una arquitectura de equipo de instrucción de reducción de instrucción (RISC), ya que incorpora estas características de arquitectura RISC típicas:

• Una arquitectura uniforme de carga / almacenamiento de archivos de registro, donde el procesamiento de datos opera sólo en el contenido del registro, no directamente en el contenido de la memoria.
• Modos de direccionamiento simple, con todas las direcciones de carga / almacenamiento determinadas únicamente a partir del contenido del registro y campos de instrucción.

Las mejoras en una arquitectura RISC básica permiten a los procesadores ARM lograr un buen equilibrio de alto rendimiento, tamaño de código pequeño, bajo consumo de energía y pequeño área de silicio.

[pic 6]

Evolución ARM

[pic 7]

        Familia

[pic 8]

Diseño y Características

El juego de instrucciones del ARM es similar al del MOS 6502, pero incluye características adicionales que le permiten conseguir un mejor rendimiento en su ejecución. Para mantener el concepto tradicional de RISC, se estableció la ejecución de una orden en un tiempo, por lo general, de un ciclo. La característica más interesante es el uso de los 4 bits superiores como código de condición, haciendo que cualquier instrucción pueda ser condicional. Este corte reduce el espacio para algunos desplazamientos en el acceso a la memoria, pero permite evitar perder ciclos de reloj en el pipeline al ejecutar pequeños trozos de código con ejecución condicional.

• Todas las instrucciones se ejecutan en un ciclo de reloj.
  
• Modos de direccionamiento simples
  El procesamiento de datos solo opera con contenidos de registros, no directamente en memoria.
• Control sobre la unidad aritmética lógica (ALU, Arithmetic Logic Unit) y el “shifter”, en cada instrucción de procesamiento de datos para maximizar el uso de la ALU y el “shifter”.
• Modos de direccionamiento con incremento y decremento automático de punteros, para optimizar los lazos de los programas.
  
• Carga y almacenamiento de múltiples instrucciones, para maximizar el rendimiento de los datos.
  
• Ejecución condicional de todas las instrucciones, para maximizar el rendimiento de la ejecución.
  
• Set de instrucciones ortogonal, regular o simétrico
  En este tipo de set no hay restricciones en los registros usados en las instrucciones, son todos registros de propósitos generales, con muy pocas excepciones (por ejemplo el contador de programa, PC) A los programadores Assembler les resulta más fácil aprender un set con estas características. Y también, a los compiladores les resulta más fácil manejarlo. Mientras que la implementación del hardware será generalmente más eficiente.
  
• Técnica “pipeline” Esta técnica consiste en comenzar la próxima instrucción antes de que la actual haya finalizado. El objetivo es economizar tiempo.
  
• Excepciones vectorizadas Las excepciones son condiciones inusuales o inválidas asociadas con la ejecución de una instrucción particular.
  
• Arquitectura “Thumb”
  Algunos procesadores ARM tienen esta arquitectura para aplicaciones que necesiten mejorar la densidad de código. Consiste en usar un set de instrucciones de 16 bits que es una forma comprimida del set de instrucciones ARM de 32 bits.

X86

[pic 9]

X86. Denominación genérica dada a ciertos Microprocesadores de la familia Intel, sus compatibles y la arquitectura básica a la que estos procesadores pertenecen, por la terminación de sus nombres numéricos: 8086, 80286, 80386, 80486, etc. Han constituido desde su nacimiento un estándar para los ordenadores del tipo Compatible IBM PC. Son comúnmente conocidos por versiones abreviadas de sus nombres, como 286 o I286, 386 o I386, 486 o I486, e incluso 086, por I8086 o I8088 (su respectiva versión de 8 bits). La comercial popularidad de esta arquitectura hizo que muchos fabricantes, además de Intel, empezaran a fabricar en masa microprocesadores basados en esta arquitectura. Estas compañías son entre otras AMD, Cyrix, NEC Corporation y Transmeta.

...