RISC与CISC：计算机指令集架构的前世今生

RISC与CISC：计算机指令集架构的前世今生

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新浪网

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https://finance.sina.com.cn/tech/roll/2024-08-02/doc-inchfezi7259732.shtml

CISC（复杂指令集计算）和RISC（精简指令集计算）是计算机硬件架构中的两种主要类型。本文将深入探讨这两种架构的特点、优劣以及它们在现代计算机系统中的应用。

CISC与RISC的基本概念

• 复杂指令集（CISC）：CISC架构设计了大量的复杂指令，每条指令可以完成较为复杂的操作。由于指令的复杂性，单个指令可以在较少的时钟周期内完成任务，从而减少内存带宽的占用。但是，实现这些复杂指令需要更复杂的硬件逻辑。

• 精简指令集（RISC）：RISC架构设计了一组相对简单且数量较少的指令，每条指令执行一个非常简单的操作。简单指令可以在一个时钟周期内完成，从而提高了指令执行速度。由于指令集的精简，硬件设计相对简单且更容易优化。

CISC与RISC的主要特点对比

RISC的起源与发展

• 起源：1974年，纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke提出了RISC的概念。他发现计算机中约20%的指令承担了80%的工作。

• 主要特点：

• 指令简单：RISC设计者将主要精力放在经常使用的简单指令上，这些指令可以在一个时钟周期内完成。

• 指令数少：较少的指令类型需要更少的晶体管和电路元件，从而简化微处理器设计，提高执行速度。

• 存储器操作限制：对存储器操作有限制，使控制简单化。

• 程序复杂性：由于简单的指令集，实现复杂功能时需要组合多条指令，程序复杂度增加，内存占用较大。

• 中断处理：可以在一条指令执行的适当位置响应中断。

• CPU芯片电路：包含较少的单元电路，面积小、功耗低。

• 设计周期短：结构简单，布局紧凑，设计周期短，易于采用最新技术。

CISC的主要特点

• 主要特点：
• 指令丰富：指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定功能。
• 存储器操作直接：存储器操作指令多，操作直接。
• 程序简单性：汇编语言程序编写相对简单，特别是科学计算及复杂操作的程序设计效率较高。
• 中断处理：在一条指令执行结束后响应中断。
• CPU芯片电路：包含丰富的电路单元，功能强大，但面积大、功耗高。
• 设计周期长：结构复杂，设计周期长。
• 用户使用：功能强大，实现特殊功能容易。

CISC与RISC的综合对比

现代CISC处理器的RISC实现

如今的CISC处理器都参考了RISC设计，将指令在处理器内翻译成微码再工作。这种设计方式有以下优势：

• 性能优化：RISC核心设计简单，指令集较少，容易进行指令解码和执行优化。因此，在现代CISC处理器中，首先将复杂的CISC指令解码成更简单的RISC微操作（micro-operations），再由RISC核心执行。这种方式可以提高指令执行效率。
• 设计复杂性降低：RISC核心的设计相对简单，可以简化处理器设计的复杂性。通过在CISC处理器中采用RISC核心，可以降低设计和验证的难度，缩短开发周期。
• 能效比提升：RISC核心因为其简单的设计，通常具有较低的功耗和较小的芯片面积。这对于移动设备和嵌入式系统等功耗敏感的应用场景尤为重要。
• 模块化设计：通过使用RISC核心，处理器设计可以更加模块化和灵活。这使得在同一架构下可以更容易地进行不同型号和规格处理器的扩展和开发。
• 兼顾旧有软件支持和新性能：现代CISC处理器（如x86架构）需要兼容大量已有的软件和系统，因此外部接口依然保持CISC架构。但是，内部通过RISC核心执行，可以兼顾性能和兼容性，提供更好的用户体验。

• 微操作：Intel的x86处理器内部使用了一种被称为“微操作（micro-ops）”的机制，将复杂的x86指令解码为更简单的微操作，然后由内部的RISC风格的执行单元处理。
• 超标量和超流水：现代x86处理器利用超标量和超流水技术，同时执行多条微操作，以提高指令级并行度和处理速度。

这两种架构各有优劣，具体选择取决于应用场景和性能需求。