计算机组成结构—CISC和RISC

计算机组成结构—CISC和RISC

引用

CSDN

1.

https://m.blog.csdn.net/weixin_74098337/article/details/138964255

计算机的指令集架构（ISA）主要分为CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）两大类。CISC通过设置更多、更复杂的指令来实现更多功能，而RISC则通过减少指令种类、简化指令功能来提升运行速度。本文将详细介绍这两种架构的特点、优缺点及其比较。

最早的 CPU 出现在 20 世纪 70 年代，当时的集成电路技术制约了一块芯片上能实现什么，所以它们的指令集都非常有限；以 8 位 CPU 为主，Intel 8080、MOS 6502、MC 6800 就是其中的代表。之后随着超大规模集成电路技术的发展，微处理器发展得非常迅速，指令集也越来越复杂；并且出现了将处理器、RAM、ROM 和 I/O接口等计算机基本部件集成到一个芯片上的微控制器（MCU），这就是单片机，Intel 的 MCS-51 系列就是其中的代表。

现代计算机按照处理器的指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）主要可以分为两种：

• CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）
• RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）

面对越来越多的需求，计算机需要完成的任务越来越重，对计算机性能的要求也越来越高。关于如何提升计算机性能，两种指令集架构代表了不同的思路。

一、CISC

CISC通过设置更多、更复杂的指令来实现更多的功能，这样就可以减少运行程序所需的指令数，依靠硬件提升运行速度。

这种架构的代表公司就是 Intel，它在 1978 年推出了著名的 16 位微处理器 8086，此后又推出了 80286 和 32 位的 80386、80486 以及 奔腾（Pentium）处理器，因而这一系列的处理器都被称为 “x86 架构”。如今已经进入 64 位时代，这一家族采用的指令集架构称为 “ x86-64 ” 或简称 “ x64 ”，代表就是酷睿（Core）处理器。AMD 公司生产的 CPU 主要也是 x86/64 架构。

CISC 的主要特点如下：

• 指令数目庞大且复杂。Intel 描述全套指令的文档有 1200 多页；
• 指令字长是可变的。x86-64 的指令长度可以是 1 ~ 15 个字节；
• 每个指令可以执行若干简单操作，例如存储器读取、存储、计算操作等，因此很多指令都能进行访存操作，可以对内存中的操作数直接进行算术和逻辑运算；
• 寻址方式丰富。内存中操作数的指示符可以有各种组合，包括偏移量、基址和变址寄存器以及伸缩因子；
• 逻辑控制电路复杂，寄存器较少，使用主存中的软堆栈来实现堆栈寻址；
• 对机器级程序来说，实现细节是不可见的，全部由硬件完成。

因此，CISC 有着非常明显的优缺点。

• 优点：

• 运行程序所需的指令数少，有效提升性能；

• 更加依赖硬件实现功能，编写软件代码较为简单。

• 缺点：

• 指令执行时间差异很大，复杂的指令需要若干时钟周期才可以实现；

• 指令的使用频率差异很大，很多复杂指令的使用率并不高；

• 有些指令非常复杂，以至于无法通过组合逻辑电路直接完成，所以需要采用微程序控制；

• 编译器能做的优化有限。

二、RISC

庞大的指令系统设计起来非常复杂，研制周期变得很长，成本耗费巨大。而且对传统 CISC 的测试发现，典型程序中 80% 的语句只用到了系统中 20% 的指令，这被称为 2-8 规律。

于是人们开始了对指令系统合理性的研究，试图通过 “做减法” 来从另一个角度提升效率，这样就产生了 RISC。

RISC 的主要思路是减少指令种类、简化指令功能，通过降低单个指令的执行周期数（CPI）来提高 MIPS，从而提升运行速度。

由于简化了指令集，CPU 芯片就不需要太大的空间来制作逻辑控制电路，而可以加入更多的寄存器，这样就可以让数据运算更快。基于这样的想法，IBM 公司开发出了第一代 RISC 架构计算机；与此同时，斯坦福大学的 RISC 研究课题 MIPS，考虑到了对处理器流水线的优化，研究结果转化成了后来 MIPS 公司的 R 系列产品。

1985 年，Acom 公司设计出了基于 RISC 指令集的 32 位计算机，简称 ARM（Acorn RISC Machine）。1990 年，Acom 改组为 ARM 公司，专门研发芯片架构、出售芯片技术授权，它的指令集架构就被称为 “ARM 架构”。由于 ARM 架构低功耗、低成本的特点，在嵌入式处理器中得到了非常广泛的应用：智能手机、智能汽车、智能家居等各种领域都可以看到 ARM 架构处理器的身影。

如今 RISC 架构已经发展到第五代，称为RISC-V，这是一个完全开源的指令集架构，采用宽松的 BSD 协议，企业可以完全自由免费使用，同时也容许企业添加自有指令集进行拓展。

RISC 的主要特点有:

• 指令数量比 CISC 要少得多；只使用频度较高的简单指令，通过简单指令的组合实现复杂指令功能。早期的 RISC 指令通常少于 100 个；

• 指令字长是固定的。早期的 RISC 通常将所有的指令都编码为 4 个字节；

• 允许访存的指令只有 load 和 store，这被称为load / store 体系结构。因此只能对寄存器中的操作数进行算术和逻辑运算，不能直接对内存中的操作数进行运算；

• 寻址方式简单，一般所有的 load / store 都通过寄存器中的内容和指令字段中的偏移量来实现；

• 逻辑控制电路比较简单，有大量的通用寄存器，可以使用硬堆栈来实现堆栈寻址。

• 对机器级程序来说，实现细节是可见的。因此编译器需要在一些约束条件下进行性能优化；
  因此，RISC 的优缺点和 CISC 相比也是非常明显的。

• 优点：

• CPI 大大降低，并且通过大量寄存器减少了访存次数，有效提升性能；

• 采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期完成；采用超标量和超流水线技术，可以使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期；

• 控制器便于设计和实现，采用组合逻辑控制（硬布线），不用微程序控制；

• 可以利用编译器对程序性能进行优化。

• 低功耗、低成本

• 缺点：

• 指令的种类和寻址方式都比较少，编写软件比较麻烦；有些早期的 RISC 机器甚至没有乘法指令，需要用一系列加法来实现；

• 对编译器的要求比较高，编译器采用不同的优化策略可以显著改变运行性能；

• 不同指令系统间兼容性差。

三、CISC和RISC的比较

下表中详细列出了 CISC 和 RISC 的特点对比：

如今，RISC 机器在发展进化的过程中，逐渐引入了更多的指令；而 CISC 机器也会充分利用高性能的流水线结构。商品化的计算机一般都会将 RISC 和 CISC 结合起来，取长补短。