A Arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer).

Ao contrário da arquitetura CISC (Complex Instruction Set Computer), que dominou a era inicial dos PCs, a arquitetura RISC (Reduced Instruction Set Computer ou Computador com Conjunto Reduzido de Instruções) representa uma filosofia de projeto de processadores que prioriza a simplicidade e a velocidade de execução de um conjunto menor e otimizado de instruções.

1. Definição

RISC é uma arquitetura de microprocessador onde o conjunto de instruções de máquina é projetado para ser pequeno, simples e altamente otimizado. O objetivo central é que a maioria dessas instruções simples possa ser executada em um único ciclo de clock (CPI - Ciclos por Instrução).

A abordagem RISC surgiu no início da década de 1980, como uma reação ao crescente aumento da complexidade das arquiteturas CISC (como a x86 da Intel). Pesquisas em universidades como UC Berkeley (Berkeley RISC), Stanford (MIPS) e na IBM (IBM 801) identificaram que, em programas reais, apenas uma pequena fração das instruções complexas de uma arquitetura CISC era usada com frequência.

A filosofia era: ao simplificar o hardware para executar poucas instruções de forma muito rápida, o desempenho geral seria maior do que tentar executar instruções complexas lentamente.

2. Características Fundamentais

As características principais que definem a arquitetura RISC são:

1.  Conjunto de Instruções Reduzido (RISC): Menos instruções no total, com cada instrução realizando uma função muito básica (ex: somar, carregar, armazenar).

2. Tamanho Fixo da Instrução: As instruções geralmente possuem um tamanho uniforme, o que simplifica e acelera o fetching (busca) e a decodificação.

3.  Execução em Ciclo Único: A meta é que cada instrução seja executada em um único ciclo de clock.

4. Ênfase em Registradores: O processador utiliza um grande número de registradores de propósito geral. As operações (como aritmética e lógica) são realizadas quase exclusivamente entre dados armazenados nesses registradores, minimizando o acesso à memória principal.

5. Modelo de Instrução Load/Store: Apenas duas instruções acessam a memória principal: LOAD (carregar dados da memória para um registrador) e STORE (armazenar dados de um registrador para a memória). Todas as outras operações são feitas em registradores.

6. Controle por Hardware: A lógica de controle do processador é implementada diretamente em hardware (circuitos lógicos), em vez de microcódigo (que é mais lento, comum em CISC).

7.  Uso Intenso de Pipelining: A simplicidade e o tamanho fixo das instruções facilitam a técnica de pipelining (execução de múltiplas fases de diferentes instruções simultaneamente, como em uma linha de montagem), o que aumenta o throughput (vazão).

3. Tecnologias e Funcionalidades

As tecnologias chave que a arquitetura RISC explora para alcançar alto desempenho incluem:

• Pipelining Eficiente: A execução de instruções é dividida em estágios (busca, decodificação, execução, etc.), e o pipeline permite que, a cada ciclo de clock, uma nova instrução entre no sistema.

• Unidades de Execução Múltiplas: Com instruções mais simples, é mais fácil paralelizar as operações, usando múltiplas unidades de execução (inteira, ponto flutuante, etc.) simultaneamente.

• Registradores Ampliados: Um grande banco de registradores reduz a latência (tempo de espera) de acesso aos dados, já que o acesso ao registrador é muito mais rápido do que o acesso à memória cache ou principal.

• Compiladores Sofisticados: Como o trabalho de complexidade é transferido do hardware para o software, os compiladores RISC precisam ser muito inteligentes para reorganizar e encadear as instruções simples de maneira otimizada para aproveitar o pipeline.

  
  

4. Emprego em PCs Desktop (Contexto Atual)

Historicamente, arquiteturas como SPARC, MIPS e Alpha foram as pioneiras no uso de RISC, dominando o mercado de workstations e servidores de alto desempenho nos anos 90. No entanto, elas falharam em penetrar no mercado de PCs mainstream, que era dominado pelo x86 (CISC) da Intel e AMD.

O grande ponto de inflexão e a atual relevância do RISC no cenário Desktop estão associados à arquitetura ARM:

1.   Dominância Móvel: A arquitetura ARM (inicialmente Advanced RISC Machines) se tornou a espinha dorsal de praticamente todos os dispositivos móveis (smartphones e tablets) devido à sua eficiência energética.

2.   A Chegada ao Desktop (Apple Silicon): A Apple, ao migrar seus computadores Macintosh de processadores Intel (x86/CISC) para seus próprios chips Apple Silicon (baseados na arquitetura ARM, como os chips M1, M2, M3, etc.), introduziu o RISC no mercado de PCs de alto desempenho de forma massiva.

• Tecnologia Híbrida: Embora o chip Apple Silicon seja baseado em RISC (ARM), ele utiliza uma camada de tradução de instruções que converte instruções x86 (quando emulando software antigo) em um formato RISC interno, mas para software nativo, ele usa a velocidade nativa do RISC.

• Desempenho/Watt: Os chips baseados em ARM/RISC têm demonstrado um desempenho de single-thread e multitarefa extremamente competitivo, com uma eficiência energética muito superior aos seus equivalentes x86, o que se traduz em menos calor e baterias mais duradouras.

  
  

3.   RISC-V: É uma arquitetura RISC de código aberto (Open Source) que está ganhando tração em pesquisa, embarcados e, potencialmente, em futuros datacenters e PCs, oferecendo uma alternativa livre de royalties.

Em resumo: Embora a arquitetura tradicional de PCs Desktop (Intel/AMD) ainda use o x86 (que internamente se tornou uma arquitetura híbrida, traduzindo instruções CISC para micro-operações parecidas com RISC), a tendência atual aponta para o RISC (ARM) como a tecnologia dominante para a próxima geração de PCs, principalmente devido à sua superioridade em eficiência energética e ganhos de desempenho através de pipelining e paralelismo.