深入探讨RISC与CISC体系.doc

深入探讨RISC与CISC体系杨明 应佳 梁霄 陈贺瑶摘要：从RISC与CISC技术的特征引入，分析RISC技术与CISC技术的优劣方面，从而对RISC处理机和CISC处理机的核心技术进行深入探讨与比较。关键词：指令集，处理机，RISC，CISC引言2011年，微软公司宣布下一代Windows系统将正式支持ARM处理器，这是计算机工业发展史上的一件大事，标志着X86处理器的主导地位受到挑战。按照当时的统计，在移动设备市场，ARM处理器的市场份额超过了九成，在桌面电脑市场又有了微软的支持，ARM成为主流可以说在未来成了不可避免的趋势。这一现象也一度引起了当时人们的惊呼，认为Intel公司或被击败。关注这场纷争，我们不难看出，ARM是基于RISC的产品，而PC的代言人x86基于CISC。ARM与x86之争，其实就是RISC和CISC之争。这两种技术都试图在软硬件、体系架构、执行速度、编译依赖性等诸多因素中作出平衡，以求达到更高的利用率，但采用的方法不同因而有所差异。在这一主流处理器面临转型的关键时期，我们将对于RISC和CISC技术和性能进行更加深入的探讨。RISC和CISC技术的主要特点首先，让我们把目光下放，从技术的实质的角度来看RISC和CISC技术。按照诞生时间的先后，我们先来探讨CISC（Complex Instruction Set Computing）复杂指令集技术。可以说，计算机在诞生之初，人们对于计算机有限的认识决定了CISC技术的必然性。上世纪70年代，人们对于计算机的研究日益深入。当时的计算机处理速度很慢，特别是存储速度非常慢，慢速磁带存储设备的广泛使用以及大容量内存的缺乏，让计算机对每一字节空间的应用都很珍惜。在这样的情况下，人们希望在一条指令中完成更多的工作，比如“从内存和寄存器读取数据相加后，写入内存”。其实这一条指令可以拆分成四条指令，首先是从内存读取数据，其次是从寄存器读取数据，第三是相加，最后才是写入内存。一条指令内完成多项工作的这个相对复杂的思想，是当时计算机的主流设计方案。这一思想，在RISC技术概念被提出后，也就被人们与之对应称为了CISC技术。CISC技术具有以下特点：1. 指令系统复杂。随着机器的更新换代，指令条数不断增加，指令种类不断丰富，寻址方式不断扩充，特殊指令越来越多，这就使指令系统越来越复杂。2. 指令结构复杂。随着指令条数的增加，使指令的结构形式越来越长，包括的内容越来越多。3. 指令的执行时间长：指令结构复杂，就需要更多的时间分析解释，更多的机器周期完成规定的功能。4. CPU结构复杂。指令复杂，功能强大，使CPU需要有更多的电路部件支持相应的功能，更快更完善地完成指令规定的任务。5. 微程序控制指令条数多，形式复杂，硬件译码难以实现。6. CPU包含越来越多的电路，占用越来越大的面积，消耗越来越多的能量。RISC体系一定程度上是在“8020”定律的推动下产生的，即在所有指令集中，只有20%常常被利用，而80%很少有人问津。在这一思路的启发下，1980年代，Reduced Instruction Set Computing，也就是RISC精简指令集开始出现。这种指令集的优势在于将计算机中最常用的20%的指令集集中优化，而剩下的不常用的80%则采用拆分为常用指令集等方式运行。我们将RISC技术的优点总结如下：1. 精心选择指令，优化指令系统。确定指令系统时，为做到精简，选取使用频度最高的一些简单指令，以及很有用又不复杂的指令。同时，采用简单的指令格式、固定的指令字长和简单的寻址方式，让指令的执行尽可能在一个周期内完成。2. 采用load-store结构。只允许加载(load)、存储(store)指令执行存储器操作，其余指令均对寄存器操作。3. 使用较多的通用寄存器以减少访存，不设置或少设置专用寄存器。由于RISC的设计采用简单、合理的指令系统和简化的寻址方式，所以排除了微代码设计技术。4. 大寄存器堆。RISC微处理器中大量的计算都在ALU高速寄存器中执行，由编译器产生、分配和优化寄存器的使用，从而简化了流水线结构和使指令周期将到最小。5. 采用高速缓存(cache)分层存储体系。6. 高效的流水线操作。除load/store指令外，其他指令都以流水方式工作，从而可在一个时钟周期内执行完毕。采用流水线方式后，下一条指令不必等到上一条指令执行完毕才开始执行，而是可以提前执行。7. 延迟转移。由于数据从存储器到寄存器存在速度差，转移指令要进行入口地址的计算，这使CPU执行速度大大受限。因此，RISC技术为保证流水线高速运行，在它们之间允许加一条不相关的可立即执行的指令,以提高速度。8. 硬连线控制。采用少量、简单、固定的硬连线控制逻辑替代微码以实现减少指令系统，保证短周期、单周期执行指令。9. 采用寄存器窗口技术。为了简单有效地支持高级语言，RISC设计者把大寄存器堆分成多个重叠寄存器窗口，用以在执行高级语言中的过程调用和返回子程序的直接转换参数，这样就减少了调用和返回访问主存所消耗的计算时间。粗略来看，RISC技术是在多个方面优于CISC技术的，但两者之间孰优孰劣并不这么简单，下面我们将从RISC和CISC技术的各个不同角度的进行探讨。辨析RISC与CISC技术的优劣 我们比较RISC和CISC技术的目的，不是为了严格地区分它们，而是要将它们取长补短相互靠拢，有效地融合，设计出更加高效的机器。让我们从以下几个角度，辩证的分析两大技术。1. 指令系统RISC指令等长，没有复杂的寻址模式，提高了取指令和译码的效率，对不常用的功能，通过组合指令来完成。CISC计算机的指令系统复杂，指令长度通常不固定，有专用的指令来完成特定的工作。任何一个程序在计算机上的执行时间可以用下面的公式来计算：PICPIT，下表列出了CISC与RISC的三个参数I、CPI和T的比较情况：类型指令条数I指令平均周期数CPI周期时间TCISC121533ns5nsRISC1.31.41.11.410ns2ns2. 程序设计CISC程序设计简单，效率较高，目前可运行在DOC，Windows操作系统上，拥有大量的应用程序；而RISC将复杂性移到了程序设计上，给了软件生产商更大的优化程序的压力，虽然也可以运行在DOC，Windows上，但需要一个翻译过程，运行速度慢。3. 集成规模RISC微处理器结构简单，布局紧凑，包含较少的单元电路，面积小、功耗低，可是需要的存储器多；而CISC微处理器电路单元复杂，功能强大，因此面积大、功耗也大，但不需要那么多的存储器来存储指令。4. 技术支持 RISC技术能更好地支持优化编译技术和并行处理技术，节省大型和复杂问题的解决时间。CISC采用微码技术，指令语义较高。未来趋势目前，RISC技术已形成了两种技术风格：一是使传统流水线更深的超流水线风格，二是每个时钟让多条指令进入流水线的超标量风格。RISC技术已经在某些领域取得了令人注目的成就，对CISC技术构成了强有力的冲击。各具特色的RISC芯片不断涌现，并在许多领域已显示出其生命力。相对地，近年唱衰PC的言论日益增长，CISC的高功耗也愈发跟不上潮流，再加上Intel等公司在战略上的后知后觉使得CISC架构发展迟缓。不过CISC技术有雄厚的历史基础，市场占有率高，仍不能简单地说将来谁会比谁更强大。 现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入RISC的特性，或两者相互取经。例如Intel在90年代中期就已经在P6的架构里引入乱序发射技术，首次实现了CISC指令集在解码阶段向RISC类指令的转化。同期ARM也引入代码密度更高的Thumb指令集，提高指令缓存效率。结束语：CISC与RISC在指令集架构层面上的差异变得越来越模糊，由先进的微架构和物理设计、工艺实现带来的改进足以掩盖指令集架构层面的劣势，可以说双方的精华已经熔为一炉。目前，以x86处理器为代表的CISC产品占据了超过90%的PC市场，以ARM为代表的RISC产品则占据了超过90%的移动市场。RISC自诞生以来的三十年中经历了质疑、辉煌和落寞，它精简的设计理念很大程度上影响了后来的芯片设计。然而“简单就是终极的复杂”，研发一款ARM版Win8要比想象中困难得多，每一个基于Win8的ARM设备都是独特的，而不是像Win8 x86那样共享一个相同的标准。不过这也不意味着ARM以后就只能占据低端，毕竟任何架构都有其优点，一旦有应用针对其进行优化，那么就可以扬长避短。 CISC是Intel的最关键财富，它成就了Intel。但是，它又是Intel目前的最大负担，为了节约晶体管砍掉扩展指令集，Intel的CPU性能就会损伤一半；若保留就会使其功耗大大高于ARM类CPU。尽管如此，CISC体系作为PC的处理器却稳坐江山。也许是因为它早到了一步，而后来的RISC并没有给人们充分的更换它的理由。但我们仍然期待微软坚定支持ARM架构的这一举措能够为RISC在PC领域翻身注入一剂强心针。 参考文献1吴军.浪潮之巅M.北京:电子工业出版社,2011.40-422高邦仁.英特尔的继续创新J.互联网周刊.2013,83.An Alternative to RISC:The Intel 80x86D.USA:Elsevier Science,2003.18-214任哲.ARM体系结构及其嵌入式处理器M.北京航空航天大学出版社，2008，9-105 施志林. RISC、CISC技术比较与研究J. 中国科技信息, 2008, (11):