RISC與CISC

CISC（復(fù)雜指令集計算）和RISC（精簡指令集計算）是兩種不同的計算機(jī)指令集架構(gòu)。

CISC（Complex Instruction Set Computing）

• 復(fù)雜指令集：CISC架構(gòu)設(shè)計了大量的復(fù)雜指令，每條指令可以完成較為復(fù)雜的操作。

• 較少的指令數(shù)：因為每條指令可以完成較多的操作，所以總體的指令數(shù)較少。

• 內(nèi)存使用效率高：由于指令的復(fù)雜性，單個指令可以在較少的時鐘周期內(nèi)完成任務(wù)，從而減少內(nèi)存帶寬的占用。

• 硬件實現(xiàn)復(fù)雜：實現(xiàn)這些復(fù)雜指令需要更復(fù)雜的硬件邏輯。

• 常見應(yīng)用：早期的計算機(jī)和一些特定應(yīng)用中使用較多，如x86架構(gòu)。

RISC（Reduced Instruction Set Computing）

• 精簡指令集：RISC架構(gòu)設(shè)計了一組相對簡單且數(shù)量較少的指令，每條指令執(zhí)行一個非常簡單的操作。

• 較多的指令數(shù)：由于每條指令執(zhí)行的操作簡單，完成一個任務(wù)需要更多的指令。

• 指令執(zhí)行速度快：簡單指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成，從而提高了指令執(zhí)行速度。

• 硬件實現(xiàn)簡單：由于指令集的精簡，硬件設(shè)計相對簡單且更容易優(yōu)化。

• 常見應(yīng)用：現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備中廣泛使用，如ARM架構(gòu)。

對比

• 復(fù)雜性：CISC指令復(fù)雜，RISC指令簡單。

• 執(zhí)行速度：RISC通常具有更快的執(zhí)行速度，因為每條指令在一個時鐘周期內(nèi)完成。

• 指令數(shù)：CISC指令數(shù)少，但每條指令功能強(qiáng)大；RISC指令數(shù)多，但每條指令功能簡單。

• 硬件設(shè)計：CISC硬件設(shè)計復(fù)雜，RISC硬件設(shè)計簡單。

• 應(yīng)用領(lǐng)域：CISC多用于臺式機(jī)和服務(wù)器，RISC多用于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備。

這兩種架構(gòu)各有優(yōu)劣，具體選擇取決于應(yīng)用場景和性能需求。

RISC和CISC的對比

RISC（Reduced Instruction Set Computer）

• 定義：RISC是一種執(zhí)行較少類型計算機(jī)指令的微處理器架構(gòu)。通過減少指令集的數(shù)量，可以更快地執(zhí)行操作。

• 起源：1974年，紐約約克鎮(zhèn)IBM研究中心的John Cocke提出了RISC的概念。他發(fā)現(xiàn)計算機(jī)中約20%的指令承擔(dān)了80%的工作。

• 主要特點：

• 指令簡單：RISC設(shè)計者將主要精力放在經(jīng)常使用的簡單指令上，這些指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。

• 指令數(shù)少：較少的指令類型需要更少的晶體管和電路元件，從而簡化微處理器設(shè)計，提高執(zhí)行速度。

• 存儲器操作限制：對存儲器操作有限制，使控制簡單化。

• 程序復(fù)雜性：由于簡單的指令集，實現(xiàn)復(fù)雜功能時需要組合多條指令，程序復(fù)雜度增加，內(nèi)存占用較大。

• 中斷處理：可以在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)位置響應(yīng)中斷。

• CPU芯片電路：包含較少的單元電路，面積小、功耗低。

• 設(shè)計周期短：結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計周期短，易于采用最新技術(shù)。

• 常見處理器：DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC、SuperH等。

CISC（Complex Instruction Set Computer）

• 定義：CISC是一種復(fù)雜指令集計算機(jī)架構(gòu)，使用豐富的指令集，每條指令可以完成較為復(fù)雜的操作。

• 主要特點：

• 指令豐富：指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定功能。

• 存儲器操作直接：存儲器操作指令多，操作直接。

• 程序簡單性：匯編語言程序編寫相對簡單，特別是科學(xué)計算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計效率較高。

• 中斷處理：在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。

• CPU芯片電路：包含豐富的電路單元，功能強(qiáng)大，但面積大、功耗高。

• 設(shè)計周期長：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期長。

• 用戶使用：功能強(qiáng)大，實現(xiàn)特殊功能容易。

• 常見處理器：X86。

RISC和CISC的區(qū)別

1. 指令系統(tǒng)：

• RISC：專注于簡單、高效的常用指令，通過組合指令完成不常用功能。

• CISC：提供豐富的指令系統(tǒng)，有專用指令完成特定功能。

• 存儲器操作：

• RISC：對存儲器操作有限制，控制簡單。

• CISC：存儲器操作指令多，操作直接。

• 程序復(fù)雜性：

• RISC：程序復(fù)雜，需要較大內(nèi)存空間。

• CISC：程序編寫相對簡單，設(shè)計效率高。

• 中斷處理：

• RISC：在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)位置響應(yīng)中斷。

• CISC：在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。

• CPU芯片電路：

• RISC：單元電路少，面積小、功耗低。

• CISC：電路單元豐富，面積大、功耗高。

• 設(shè)計周期：

• RISC：設(shè)計周期短，易于采用新技術(shù)。

• CISC：設(shè)計周期長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

• 用戶使用：

• RISC：指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用。

• CISC：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實現(xiàn)特殊功能容易。

• 應(yīng)用范圍：

• RISC：更適合于專用機(jī)。

• CISC：更適合于通用機(jī)。

這兩種架構(gòu)各有優(yōu)劣，具體選擇取決于應(yīng)用場景和性能需求。

為什么現(xiàn)在CISC也是由RISC實現(xiàn)？

如今的CISC處理器都參考了RISC設(shè)計，將指令在處理器內(nèi)翻譯成微碼再工作。

1. 性能優(yōu)化

• 指令解碼和執(zhí)行效率：RISC核心設(shè)計簡單，指令集較少，容易進(jìn)行指令解碼和執(zhí)行優(yōu)化。因此，在現(xiàn)代CISC處理器中，首先將復(fù)雜的CISC指令解碼成更簡單的RISC微操作（micro-operations），再由RISC核心執(zhí)行。這種方式可以提高指令執(zhí)行效率。

  
  

2. 設(shè)計簡化和時間縮短

• 設(shè)計復(fù)雜性降低：RISC核心的設(shè)計相對簡單，可以簡化處理器設(shè)計的復(fù)雜性。通過在CISC處理器中采用RISC核心，可以降低設(shè)計和驗證的難度，縮短開發(fā)周期。

  
  

3. 功耗和面積優(yōu)化

• 能效比提升：RISC核心因為其簡單的設(shè)計，通常具有較低的功耗和較小的芯片面積。這對于移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)等功耗敏感的應(yīng)用場景尤為重要。

  
  

4. 靈活性和可擴(kuò)展性

• 模塊化設(shè)計：通過使用RISC核心，處理器設(shè)計可以更加模塊化和靈活。這使得在同一架構(gòu)下可以更容易地進(jìn)行不同型號和規(guī)格處理器的擴(kuò)展和開發(fā)。

  
  

5. 兼容性和性能平衡

• 兼顧舊有軟件支持和新性能：現(xiàn)代CISC處理器（如x86架構(gòu)）需要兼容大量已有的軟件和系統(tǒng)，因此外部接口依然保持CISC架構(gòu)。但是，內(nèi)部通過RISC核心執(zhí)行，可以兼顧性能和兼容性，提供更好的用戶體驗。




Intel x86架構(gòu)

• 微操作：Intel的x86處理器內(nèi)部使用了一種被稱為“微操作（micro-ops）”的機(jī)制，將復(fù)雜的x86指令解碼為更簡單的微操作，然后由內(nèi)部的RISC風(fēng)格的執(zhí)行單元處理。

• 超標(biāo)量和超流水：現(xiàn)代x86處理器利用超標(biāo)量和超流水技術(shù)，同時執(zhí)行多條微操作，以提高指令級并行度和處理速度。