Reduced instruction set computing

DEC Alpha AXP 21064, un microprocesador RISC

En arquitectura computacional, RISC (del inglés Reduced Instruction Set Computer, en español Computador con Conjunto de Instrucciones Reducidas) es un tipo de diseño de CPU generalmente utilizado en microprocesadores o microcontroladores con las siguientes características fundamentales:

  1. Instrucciones de tamaño fijo y presentadas en un reducido número de formatos.
  2. Sólo las instrucciones de carga y almacenamiento acceden a la memoria de datos.

Además estos procesadores suelen disponer de muchos registros de propósito general.

El objetivo de diseñar máquinas con esta arquitectura es posibilitar la segmentación y el paralelismo en la ejecución de instrucciones y reducir los accesos a memoria. Las máquinas RISC protagonizan la tendencia actual de construcción de microprocesadores. PowerPC, DEC Alpha, MIPS, ARM, SPARC son ejemplos de algunos de ellos.

RISC es una filosofía de diseño de CPU para computadora que está a favor de conjuntos de instrucciones pequeñas y simples que toman menor tiempo para ejecutarse. El tipo de procesador más comúnmente utilizado en equipos de escritorio, el x86, está basado en CISC en lugar de RISC, aunque las versiones más nuevas traducen instrucciones basadas en CISC x86 a instrucciones más simples basadas en RISC para uso interno antes de su ejecución.

La idea fue inspirada por el hecho de que muchas de las características que eran incluidas en los diseños tradicionales de CPU para aumentar la velocidad estaban siendo ignoradas por los programas que eran ejecutados en ellas. Además, la velocidad del procesador en relación con la memoria de la computadora que accedía era cada vez más alta. Esto conllevó la aparición de numerosas técnicas para reducir el procesamiento dentro del CPU, así como de reducir el número total de accesos a memoria.

Terminología más moderna se refiere a esos diseños como arquitecturas de carga-almacenamiento.

Filosofía de diseño antes de RISC

Uno de los principios básicos de diseño para todos los procesadores es añadir velocidad al proveerles alguna memoria muy rápida para almacenar información temporalmente, estas memorias son conocidas como registros. Por ejemplo, cada CPU incluye una orden para sumar dos números. La operación básica de un CPU sería cargar esos dos números en los registros, sumarlos y almacenar el resultado en otro registro, finalmente, tomar el resultado del último registro y devolverlo a la memoria principal.

Sin embargo, los registros tienen el inconveniente de ser algo complejos para implementar. Cada uno está representado por transistores en el chip, en este aspecto la memoria principal tiende a ser mucho más simple y económica. Además, los registros le añaden complejidad al cableado, porque la unidad central de procesamiento necesita estar conectada a todos y cada uno de los registros para poder utilizarlos por igual.

Como resultado de esto, muchos diseños de CPU limitan el uso de registros de alguna u otra manera. Algunos incluyen pocos registros, aunque esto limita su velocidad. Otros dedican sus registros a tareas específicas para reducir la complejidad; por ejemplo, un registro podría ser cap registros, mientras que el resultado podría estar almacenado en cualquiera de ellos.

En el mundo de la microcomputación de los años setenta, éste era un aspecto más de las CPU, ya que los procesadores eran entonces demasiado lentos –de hecho había una tendencia a que el procesador fuera más lento que la memoria con la que se comunicaba-. En esos casos tenía sentido eliminar casi todos los registros, y entonces proveer al programador de una buena cantidad de maneras de tratar con la memoria para facilitar su trabajo.

Dado el ejemplo de la suma, la mayoría de los diseños de CPU se enfocaron a crear una orden que pudiera hacer todo el trabajo automáticamente: llamar los dos números que serían sumados, sumarlos, y luego almacenarlos fuera directamente. Otra versión podría leer los dos números de la memoria, pero almacenaría el resultado en un registro. Otra versión podría leer uno de la memoria y otro desde un registro y almacenarlo en la memoria nuevamente. Y así sucesivamente.

La meta en general en aquel tiempo era proveer cada posible modo de direccionamiento para cada instrucción, un principio conocido como ortogonalidad. Esto llevó a un CPU complejo, pero en teoría capaz de configurar cada posible orden individualmente, haciendo el diseño más rápido en lugar de que el programador utilizara órdenes simples.

La última representación de este tipo de diseño puede ser vista en dos equipos, el MOS 6502 por un lado, y el VAX en el otro. El chip 6502 de $25 USD efectivamente tenía solamente un registro, y con la configuración cuidadosa de la interfaz de memoria fue capaz de sobrepasar diseños corriendo a velocidades mayores (como el Zilog Z80 a 4MHz). El VAX era un minicomputador que en una instalación inicial requería 3 gabinetes de equipo para un solo CPU, y era notable por la sorprendente variedad de estilos de acceso a memoria que soportaba, y el hecho de que cada uno de éstos estaba disponible para cada instrucción.

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