CISC RISC指令集

CISC 复杂指令集(Complex Instruction Set Computing)

指令数很多,有很多复杂的指令,CPU 里面的电路就要更复杂,设计起来也就更困难。更复杂的电路,在散热和功耗层面,也会带来更大的挑战

在软件层面,支持更多的复杂指令,编译器的优化就变得更困难

由于有很多复杂的指令,同样执行一个程序,需要的指令数就会变少


RISC 精简指令集(Reduced Instruction Set Computing)

由于我们 80% 的时间都在用 20% 的简单指令,在 RISC 架构里面,CPU 选择把指令“精简”到 20% 的简单指令。而原先的复杂指令,则通过用简单指令组合起来来实现,让软件来实现硬件的功能。

这样,CPU 的整个硬件设计就会变得更简单了,在硬件层面提升性能也会变得更容易了。

RISC 的 CPU 里完成指令的电路变得简单了,于是也就腾出了更多的空间。这个空间,常常被拿来放通用寄存器。因为 RISC 完成同样的功能,执行的指令数量要比 CISC 多,所以,如果需要反复从内存里面读取指令或者数据到寄存器里来,那么很多时间就会花在访问内存上。于是,RISC 架构的 CPU 往往就有更多的通用寄存器

因为 RISC 降低了 CPU 硬件的设计和开发难度,所以从 80 年代开始,大部分新的 CPU 都开始采用 RISC 架构

下图为两者的对照区别图



Intel 的进化:微指令架构的出现

由于 RISC 处理器的设计思想很多地方非常不错,从 Pentium Pro 时代开始,Intel 就开始在处理器里引入了微指令(Micro-Instructions/Micro-Ops)架构

在微指令架构的 CPU 里面,编译器编译出来的机器码和汇编代码并没有发生什么变化。但在指令译码的阶段,指令译码器“翻译”出来的,不再是某一条 CPU 指令。译码器会把一条机器码,“翻译”成好几条“微指令”。这里的一条条微指令,就不再是 CISC 风格的了,而是变成了固定长度的 RISC 风格的了


由于有 80% 运行的代码用着 20% 的常用指令。这意味着,CPU 里执行的代码有很强的局部性。而对于有着很强局部性的问题,常见的一个解决方案就是使用缓存

所以,Intel 就在 CPU 里面加了一层 L0 Cache。这个 Cache 保存的就是指令译码器把 CISC 的指令“翻译”成 RISC 的微指令的结果

在大部分情况下,CPU 都可以从 Cache 里面拿到译码结果,而不需要让译码器去进行实际的译码操作。这样不仅优化了性能,因为译码器的晶体管开关动作变少了,还减少了功耗

因为“微指令”架构的存在,从 Pentium Pro 开始,Intel 处理器已经不是一个纯粹的 CISC 处理器了。它同样融合了大量 RISC 类型的处理器设计。不过,由于 Intel 本身在 CPU 层面做的大量优化,比如乱序执行、分支预测等相关工作,x86 的 CPU 始终在功耗上还是要远远超过 RISC 架构的 ARM,所以最终在智能手机崛起替代 PC 的时代,落在了 ARM 后面


ARM 真正能够战胜 Intel,我觉得主要是因为下面这两点原因

1.功耗差距,ARM 和 x86 之间的功耗差异,并不是来自于 CISC 和 RISC 的指令集差异,而是因为两类芯片的设计,本就是针对不同的性能目标而进行的,和指令集是 CISC 还是 RISC 并没有什么关系

2.低价。ARM 并没有自己垄断 CPU 的生产和制造,只是进行 CPU 设计,然后把对应的知识产权授权出去,让其他的厂商来生产 ARM 架构的 CPU。它甚至还允许这些厂商可以基于 ARM 的架构和指令集,设计属于自己的 CPU。像苹果、三星、华为,它们都是拿到了基于 ARM 体系架构设计和制造 CPU 的授权。ARM 自己只是收取对应的专利授权费用。多个厂商之间的竞争,使得 ARM 的芯片在市场上价格很便宜。所以,尽管 ARM 的芯片的出货量远大于 Intel,但是收入和利润却比不上 Intel

不过,ARM 并不是开源的。所以,在 ARM 架构逐渐垄断移动端芯片市场的时候,“开源硬件”也慢慢发展起来了。

一方面,MIPS 在 2019 年宣布开源

另一方面,从 UC Berkeley 发起的 RISC-V 项目也越来越受到大家的关注。而 RISC 概念的发明人,图灵奖的得主大卫·帕特森教授从伯克利退休之后,成了 RISC-V 国际开源实验室的负责人,开始推动 RISC-V 这个“CPU 届的 Linux”的开发。可以想见,未来的开源 CPU,也多半会像 Linux 一样,逐渐成为一个业界的主流选择。如果想要“打造一个属于自己 CPU”,不可不关注这个项目



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