Microprocessador (Instruction Set e Arquiteturas CISC e RISC)

O que é o ISA em um processador?

É a interface entre o software e o hardware, formada por um conjunto de regras e especificações que define como o software comunica-se com o processador.

O que o ISA determina em um processador?

• Quais instruções o processador pode executar

• Como essas instruções são codificadas

• Como os programas interagem com os recursos da CPU

O que é o Conjunto de Instruções dentro do ISA?

Lista das operações permitidas pela CPU, como soma, subtração, multiplicação, load, store, branch, etc.

O que são Modos de Endereçamento?

Métodos que definem como acessar os operandos, como:

• Imediato (constante)

• Direto (memória)

• Registrador

• Indexado ou relativo

O que são Registos Disponíveis no ISA?

São os registros visíveis ao programador, como registradores de uso geral, de controle e especiais (ex: PC, IR, ACC).

O que é o Formato das Instruções?

Define como uma instrução é codificada em binário:

• Inclui o opcode (código da operação)

• E os operandos (endereços ou valores)

O que define o Modo de Operação do Processador?

Define se o processador está em:

• Modo privilegiado (SO)

• Modo usuário (aplicações)

• E como são tratadas interrupções e exceções

Por que o ISA é importante para programadores?

Ele abstrai os detalhes de implementação do hardware, permitindo ao programador escrever código Assembly sem conhecer a microarquitetura

O que o ISA descreve?

• Todas as instruções que a CPU pode executar

• Os registradores acessíveis

• Como a CPU interage com a memória

• Como trata interrupções

Qual é o compromisso envolvido no projeto de um ISA?

Um equilíbrio entre:

• Espaço físico no chip

• Consumo de energia

• Facilidade de programação

• Desempenho do sistema

Por que o ISA é importante para a compatibilidade entre processadores?

Permite que diferentes processadores da mesma família executem o mesmo código de máquina, garantindo portabilidade binária.

O que é o Instruction Set de um processador?

É o conjunto de operações que o processador pode executar, disponível ao programador para controle direto da CPU.

Qual o impacto do Instruction Set no software?

Ele tem um papel fundamental no desempenho do software, pois define como o código é executado pelo processador, afetando diretamente eficiência e otimização.

O que é um mnemônico em Assembly?

É uma palavra simbólica (como ADD, MOV, JMP) que representa uma instrução binária de máquina, facilitando a leitura e a escrita por humanos.

Como as instruções em Assembly são convertidas em código de máquina?

Por meio de um compilador ou assembler, que traduza os mnemônicos para os opcodes binários que o hardware entende.

O Instruction Set faz parte de qual estrutura maior?

Do ISA (Instruction Set Architecture), que inclui também os modos de endereçamento, formato das instruções, registradores disponíveis e modos de operação da CPU.

Quais são os principais tipos de instruções em um processador?

• Cálculo – executa operações aritméticas/lógicas na ALU

• Acesso a Dados – transfere dados entre memória e registos

• Saltos (Jumps) – altera o fluxo de execução do programa

• Controlo – modifica o estado interno da CPU

O que são instruções de salto e por que são importantes?

São instruções que alteram o endereço da próxima instrução, quebrando a execução sequencial. Usadas em loops, condições, e funções.

O que fazem as instruções de controlo?

Elas alteram o estado interno do processador, como ativar modo privilegiado, tratar interrupções ou ajustar flags de status.

O que é o Opcode em uma instrução?

É o código da operação — uma sequência binária que indica qual ação a CPU deve realizar

Quais são os 4 principais tipos de arquiteturas ISA?

• Arquitetura em Pilha – usa uma pilha LIFO para manipular dados (ex: PUSH, POP)

• Baseada em Acumulador – sempre envolve o acumulador como um dos operandos

• Load/Store (Registo-Registo) – apenas instruções LOAD e STORE acessam a memória, outras usam apenas registradores

• Registo-Memória – a ALU pode operar diretamente sobre dados da memória

O que influencia a escolha da arquitetura ISA?

O compromisso entre desempenho desejado, custo final e complexidade do hardware/software.

Quais são os 5 principais aspectos do projeto de um ISA?

• Modelo de Memória

• Tipos de Dados

• Formato das Instruções

• Tipos de Instruções

• Modos de Endereçamento

O que é o modelo de memória?

Define como dados e instruções são organizados na memória, incluindo alinhamento e separação (ou não) entre as áreas.

Quais são os principais tipos de dados suportados?

• Inteiros

• Ponto flutuante

• Caracteres

• Lógicos (booleanos)

Quais são os modos de endereçamento comuns?

• Imediato (valor embutido)

• Direto (endereço explícito)

• Indireto (via ponteiro)

• Indexado

• Por registrador

O que caracteriza uma arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computing)?

• Instruções complexas e numerosas

• Executam operações avançadas em poucos ciclos

• Descodificação mais lenta e complexa

• Ex: x86 (Intel, AMD)

O que caracteriza uma arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computing)?

• Instruções simples, uniformes e rápidas

• Requerem mais instruções para tarefas complexas

• Otimizadas para pipelining e paralelismo

• Ex: ARM, RISC-V, MIPS

Como o ISA impacta o desempenho?

• Arquiteturas RISC favorecem execução rápida e eficiente

• Arquiteturas CISC oferecem instruções ricas e versáteis, úteis para aplicações complexas

Por que arquiteturas RISC são comuns em dispositivos móveis?

• Oferecem alta eficiência energética

• Executam tarefas com baixo consumo de bateria

• Ex: ARM em smartphones, tablets e IoT

Por que arquiteturas CISC são usadas em desktops e servidores?

• Capazes de executar cargas complexas de trabalho

• Otimizadas para desempenho geral, mesmo com maior consumo energético

O que caracteriza a arquitetura CISC?

• Instruções complexas e variadas

• Possibilidade de múltiplos acessos à memória numa só instrução

• Instruções que combinam acesso à memória + operação aritmética

• Usa microcódigo (ex: x86)

Quais são as principais vantagens da arquitetura CISC?

• Alta compatibilidade de código com versões antigas

• Desenvolvimento de software mais simples

• Programas mais compactos

• Chips mais fáceis de programar

• Exemplos: Intel 8086, Motorola 68k

Quais são as desvantagens da arquitetura CISC?

• Instruções de durações variáveis, dificultando pipeline e paralelismo

• Pouca utilização real do conjunto completo de instruções (apenas ~20% são usadas frequentemente)

• Maior consumo de energia

• Maior complexidade de hardware para decodificação

Quais são as principais características da arquitetura RISC?

• Poucas instruções, simples e uniformes

• Tamanho fixo das instruções

• Executa uma instrução por ciclo de clock

• Usa muitos registradores, evitando acessos à RAM

• Ideal para pipelining

Como o acesso à memória é feito em RISC?

• Apenas pelas instruções LOAD e STORE

• A ALU trabalha apenas com registradores

• No máximo um acesso à memória por instrução

Qual é o histórico da arquitetura RISC?

• Surgiu nos anos 70 e 80 (IBM 801, Stanford MIPS, Berkeley RISC 1 e 2)

• Popularizada em dispositivos como iPod, iPhone, iPad

• Muito usada em PowerPC, ARM

Quais são as vantagens da arquitetura RISC?

• Menor custo e maior eficiência

• Chips menores e mais rápidos

• Baixo consumo de energia

Quais são as desvantagens da arquitetura RISC?

• Pouca adoção no desktop devido ao domínio da Intel (CISC)

• O avanço de hardware permite que instruções CISC também sejam rápidas, reduzindo a vantagem do RISC

Ainda faz sentido distinguir claramente entre RISC e CISC hoje em dia?

Não com clareza absoluta. As arquiteturas convergiram e muitas CPUs modernas combinam elementos de ambas.

O que as arquiteturas CISC modernas (como x86) adotaram do RISC?

• Pipelining

• Execução de múltiplas instruções por ciclo

• Implementações híbridas para aumentar desempenho e eficiência

O que as arquiteturas RISC modernas (como ARM) incorporaram do CISC?

• Instruções complexas para reduzir ciclos

• Hardware mais sofisticado

• Suporte a microarquiteturas avançadas (cache, branch prediction, execução fora de ordem)