逃离x86架构-----CPU体系结构CISC与RISC之争

1、逃离x86架构-CPU体系25构CISC与RISC之争收藏x86架构诞生早在1981年，旧M公司推出了基于Intel 8088处理器的个人电脑；和不久后的8086处理器相比，它是一台低价格，低性能的处理 器。尽管在当时Motorola MC69000处理器的性能也相当不错，但是IBM这样选择的理由是因为 8088处理器已经能够对地址总线进行复用”，并且总线宽度达到8位，和以往相比，大大减少了整个系统的开 销。由于当时没有芯片组这一概念，因此数据和指令的存储和读取都要 依靠主板上的特殊门电路，这些部件也是8位的宽度。如果使用 Mortola MC69000 处理器的话，那么在相同功能的情况下，主

2、板需要更多 的此类部件，因此大大增加了主板的制造成本。尽管有人建议，Mortola MC69000 有助于系统性能的提高，但是 旧M固守简单就是美”的 原则，毅然选择了 8088处理器。IBM的生死抉择”却给软件开发者带来灾难性的影响（当时没有充分意识到）。由于处理器采用了 808X的架构，因此数据和代码只能 在64KB的范围内进行访问。如果某一个程序需要使用超过64KB的内存，那么程序不得不使用16位的段地址和16位的偏移地址组合，来 达到20位的数据访问范围。当时的程序员就为16位到20位的地址转 化伤透了脑筋。在程序的编译过程中，也引进了相应的内存使用模式（小 型，中型，大型，巨型）。系

3、统集成的汇编语言在程序编写时，必须指 明是近程调用（near call ）还是远程调用（far call ）。如果要把 8088处理器的程序移植到如MC68000机时，就必须把地址扩展成 32 位，这个过程非常繁琐。尽管64KB的限制是 旧M个人电脑的一个死穴，但是当时旧M PC的市场销售额非常不错。8088处理器和DOS操作系统能够支持大部 分的应用软件，因此 旧M的个人电脑推出不久就受到各界的好评；而 对于64KB的限制，人们似乎没有太多的关注。随着PC的成功推出，IBM着手于X86系统架构标准的制定，并且希望成为全球最大的电脑制 造商。Intel 和Microsft都参与了此标准的定制，

4、并且携手进行个人电脑的开发。第一个x86架构的 婴儿”便是于1985年推出的32位的80386 处理器（386处理器）。当时，大部分的操作系统（或者准操作系统） 还是16位模式，因此程序员也必须进行地址的转化，这个令人厌烦的 转化工作直到Microsoft公司发布了第一款32位的操作系统Windows 95时，才得以解决。Windows 95 是第一款使用32位地址的操作 系统，它能够对32位空间的数据进行读写操作， 并且80386处理器的 内部有7个通用寄存器（GPRS）。从19世纪80年代开始，X86架构快速的发展着。同时，RISC （精SPAR简指令集）架构也受到人们的关注，并且有不少成

5、功的产品，如C , PARISC, MIPS等。从价格上而言，X86架构的PC机最便宜； 而那些基于RISC处理器的大型机价格昂贵。但是在架构上， PC机和 大型机有非常多的相同点，它们都有着良好的软件支持，并且集成汇编日。它们之间第二个相似点就是 PC和大型机的档次通常用以整体的性 价比来决定，而不是只决定于 CPU的处理能力。可靠性，可用性，和 功能性是用于衡量机器性能的主要标准。 PC机和大型机的定位也相当 的明确，在1980年，一台PC机的价格只要几百美元，而大型机的架 构至少要上千美元；在功能上， PC机定位于整数的运算，而大型机却 是以浮点数的运算来衡量性能的高低。尽管PC机和RI

6、SC大型机在价格和功能上定位不同，但是在 199 0年初，Sun Microsystems公司推出了桌面的微型 RISC系统“MicroSPARC。为了能够稳固自身的地位，针对 Sun公司这个行为，Int el公司不久后就推出了性能和 MicroSPARC 相当的Pentium Pro 处 理器，Pentium Pro处理器是X86架构发展过程中的一个里程碑。Pentium Pro处理器首先在x86体系中引入了彳散指令”的概念，即 一条指令能够完成原先几条指令的操作。在256KB二级缓存的协助下， 微指令使得系统的整体性能有了突破性的飞跃。当时由 0.35微米制成 技术制造的Pentium P

7、ro处理器可以和原先任何一款 RISC处理器叫 板。在当时，Pentium Pro 的惊人性能在PC的制造界产生了巨大的影响，那些原先RISC的支持者不得不重新审视起 x86架构来。尽管x 86架构存在GPRS数量过少，串行的通讯指令过于复杂，内存操作不 便等缺点，但是RISC的开发者们不得不承认，当时的 RISC架构达不 到Pentium Pro的性能。揭开X86的真像随着经济的不断发展，x86处理器的应用范围越来越广，但是人们 似乎渐渐忘却x86架构的不足。在x86架构的发展过程中，它微处理 器（MPU）或多或少的占据着领先的地位。为了保持领先，个人电脑的 发展似乎脱离了旧M原先简单就是美

8、”的初衷。CPU的制成技术快速 的发展着，集成的晶体管数量也基本按照莫尔定律增加。当 CPU集成 的晶体管数量超过1百万后， 制成工艺“和晶体管集成度”成为衡量 系统性能的另一个标准。同时，基于RISC处理器的大型机也不懈的发展着， 尽管在制成技 术上不及X86架构，但是它的整数和浮点数性能要高于 X86架构。以 下是1993年至今，x86性能和RISC的比值。图X86/RISC 性能比vs制成工艺x86 performance rel ative to RISCIntegerFloatingpoint1993199419g519961997199319992000200120022003x8

9、60.8 film0.5 /imLI .35 film口一25 /jUh0.1S /im0.13 利m0.09AlphaC,8>0,7 /m0.5 网n0,35 阴n0.25 "m0.1S fitmPA-RISC0.8/0.75 .m0 .5 .m0-250.13 AmPOWER/PPCC,8/0,70,5曲0.35 的0.25 Rm0,22)130.13上图分为两个部分，上半部分是X86/RISC的性能比。可以看出，在整体上，RISC的性能要高于x86 (x86/RISC<1 )，但是它们之间的 差距正在逐渐减少。其中 Pentium Pro , P4/1.5, P4/

10、3.06 这几款CPU的性能已经超过了同期 RISC处理器的性能。图的下半部分是x 86和RISC制成工艺的对比。Pentium Pro 推出时，x86架构系统和RISC处理器系统的分工 就相当的明确。RISC系统针对高端的服务器市场，CPU和所有的部件 都必须确保系统的 稳定性”，即使降低10 %的性能也要尽可能的提高系统的稳定性。因此 RISC处理器必须经过详细，严谨的设计，并且需 要通过一系列严格的测试。因此大型机的CPU非常昂贵，每一代的CPU一般只推出23种不同频率的产品，因为企业不可能在系统升级上 不断的投入昂贵的费用。相比之下 x86架构系统主要针对个人用户和 小型的商用系统。和

11、 RISC相比，x86的价格要低12个数量级，它 主要是确保系统的性能，或者尽可能的提高系统的性价比。因此针对同 一代的CPU,它会推出78种不同频率的产品。例如Intel North wood Pentium4的整个推出的过程中，一共发布了 7种不同频率的产品。图产品推出力度对比上图清楚的表明，在同一代产品中，RISC系统一般只会推出2 3种产品，而X86架构会有78种的产品。因此后者的粒度要比前者细的多。这也说明RISC系统的CPU 一旦设计定型，就会进行制造和测试,在产品最后发布之前，尽可能的改正设计中的错误，因为 RISC昂贵的价格决定一旦CPU的设计存在问题，那么这就是一款失败的产品

12、，在市场上就不会有立足之地。而 x86的CPU价格较低，因此它不断推出的产品能够弥补以往设计中的不足，不同产品在于占领不同的市场。RISC发展步骤x86发展步骤R R&ttdF7 Rated DevtewF Rftfed Dp/icesL/hximnm OperatingFj RaSed DerviCrSp NhximiHn 1 7 Operating FreqiieicyX86 =永恒？随着X86架构的不断成熟，人们逐步开始认识到其本身的限制和 不足（例如32位的X86架构的寻址空间只有 4GB）,但是巨大的商业 利益和强劲的软硬件的支持，使得 x86的架构难以动摇。尽管在 x86

13、的发展历程中，也有不少的体系设计用于代替x86架构，但是它们都因为得不到广泛的支持，最终以失败告终。其中，影响较大的是以下3次“x86革命”。第一次革命：MIPS/ACE 联盟1991 年 4 月，Compaq, Microsoft, DEC, MIPS和一些小型的计算机公司成立了高级计算环境（ACE）小组，他们的目的在于使用 基于RISC处理器的MIPS架构来取来现有的X86/IBM 个人电脑。 但 是由于MPU上市日期的延迟，ACE小组的内部竞争，以及利益分成的 问题，使得ACE小组的发展举步为艰，最后以失败而告终。第二次革命：Apple/IBM/Motorola (AIM)联盟同样在 1

14、994 年 4 月底，Apple Computer, IBM 和 Motorola组成了 AIM联盟，目的在于把RISC处理器用于个人电脑系统。Motorola 和EM联手对POWE磔构进行重新设计，用于取代原先Macintosh 系统中逐渐衰落的680X0 CISC 处理器。POWERg构给Mac系统带来了巨大的成功，它的性能要比原先的Mac大大提高。但是x86架构的发展始终要快于 PowerPC ,而且PowerPC没有任何的性价比优势，因此不多久，Mac机就在x86架构面前败下阵来。在Intel和Microsoft巨大的压力下，1994年8.3%的市场占有率也紧缩到目前的3%。第三次革命

15、：DEC/Samsung1996年年底，DEC的芯片制造部门(原先的 Digital Semiconductor 公司)发布布了 21164PC。它是原先高性能处理器 21164A(EV56)的PC版，因此价格较低，并且使用了微软的Windows NT操作系统。由于缺少相应的软件支持，DEC开发了 FX! 32模拟器，它能够把原先X86的软件无缝的应用到21164PC平台。尽管CPU的价格低廉，但是支持21164PC的主板却非常昂贵。而且在当时，人们对 NT操作系统并没有表现出多大的兴趣，因此21164PC慢慢的在X86架构发展中退出了历史舞台。上述例子中的MPU制造商失败的主要原因就是跟不上

16、Intel CPU 的发展速度。Intel不断进行着新型的CPU设计，并且以价格来争取市场；上述的三种新型 CPU架构都是被Intel强大的马力所拖垮。其中，MIPS/ACE 联盟主要是资金的问题， 而AIM联盟的失败归咎于 CPU的设计跟不上Intel的发展速度。Intel 的自我革命目前的事实告诉我们，当今几乎不可能有其他的MPU制造商使用其他的系统结构，来挑战Intel 现下兼容的X86平台；其他的芯片制 造商也没有雄厚的资金和实力来和Intel公司进行抗衡。人们考虑：是否Intel公司自己会提出一种全新的架构；或者Intel是否会脱离IBM的x86标准来发展自身的 Wintel 体系架

17、构(Wintel : Window s操作系统和Intel处理器)。近几年，Intel致力研究的Itanium处理器(IPF Itanium Processor Family)似乎有取代 x86的趋势。Intel也宣布，Itanium 会首先使用在服务器上，然后过渡到PC平台，最终在移动平台上实现。Intel 的IPF主要针对RISC处理器原先占有的中高端服务器市 场。Intel 推出64位的处理器只是一个时间的问题，可能在目前而言，还为时过早；但是Intel的竞争对手AMD公司已经在今年推出了 x86架构的扩展64处理器和系统平台。AMD 64位的架构并不是全新的架构，而是对原先32位的x8

18、6架构进行扩展，突破了 4GB寻址空 间的限制；但是64位的计算环境却在业界产生了巨大的影响，它成为 Intel IPF技术的挑战者。姑且不论 AMD 64位架构推出时机是否合适，但是业界普遍认为64位的架构会在5年内成为主流的桌面PC架 构，同时AMD的这一举措也加快了 IPF处理器的推出。IPF技术是由Intel和惠普联合研制，取得了一定的成绩。但是目前的IPF处理器核心尺寸，电源功耗都决定了其不能使用在桌面系统上。IPF采用0.18 微米的制成工艺，和 Alpha EV (397mm2, 12 5WI) , POWER4 (415 mm2, 115W)相比，Itanium 2 处理器的尺

19、寸 为421 mm2 ,电源功耗高达130W。的Intanium 2 处理在随后的，代号为 Madison/Deefield器中，Intel 使用了 0.13微米的制成工艺1.3GHz 的 Itanium 2Pentium 4 相当。和 2.的整数运算性能有了 1处理器的最大发热量和 2.66GHz Northwood 66GHz Pentium 4 相比，1.3GHz Itanium2 0%的提高，浮点数性能有了 50%的提高。在高级的优化技术下，IPF 的性能要比原先同等频率的处理器高出整整一倍，而且随着 IPF技术的成熟，这种差距会愈加扩大。尽管在硬件的技术上，AMD和Intel 都已经

20、相当成熟；但是 AMD64位的系统和Intel 的IPF都不得不面临一个相同的问题：缺少软 件的支持。目前支持 AMD 64位系统和IPF技术的只有 Window最新的操作系统。AMD公司和Intel公司对于64位架构的研发上都或多或少面临 鸡生蛋，还是蛋生鸡”的尴尬局面。64位的架构必须有软件的支持才能发挥应有的功效，同样软件只有凭借64位的架构才能进行开发。业界人员保守的估计，64位的软件至少要3-5年才能普及起来。对于IPF处理器而言，它和原先x86架构下的处理器有什么本质 的不同呢？如果不考虑 AMD的64位扩展x86架构，在相同的电源功 耗，相同的费用，相同的制成工艺下，IPF处理器

21、在整数运算上的性能 会高出20%30%,浮点数和DSP的运算性能会有50%的提高。结论：革命尚未成功，同志仍需努力税要比做的容易。”随着IPF技术的成熟，32位x86架构缺陷的 不断出现，IPF取代x86架构势在必行。但是一旦真正的进行改革” IPF （或者其他架构）必定会受到来自各方面的压力和阻碍。乐观的估 计，IPF取代x86成为主流的架构至少要在 2005年以后。如果考虑到 来自AMD 64位的x86的架构阻挠，那么整个改革的之间会更长，甚 至有失败的可能。我们深知，每一项新技术的应用，都会伴随着出生时的阵痛；但是对于 未来却是一片光明。Intel 的IPF如此，AMD的64位架构也是如

22、此。 在PC发展历程中，正是这些一次又一次的阵痛，不断推动着整个IT界发展，使IT界保持旺盛的发展力。也许这些阵痛可能会带来难产， 使得婴儿死于襁褓之中；但是每一次成功的诞生，都会给 IT界带来一 个全新的世界。不管X86架构未来如何，我们都期待着会有一个崭新 的明天。CPU体系结构 CISC与RISC之争（转自 ）在PC发展之初，除了成熟的CISC指令架构外，旧M没有更好的 选择，原因很简单，更先进的 RISC架构在1975年才出现，且只针对 超级计算机领域，当时没有人意识到PC会有如此之大的发展，只是将它作为计算产品的一种补充而已。为图省事，旧M干脆就选择了 Intel作为微处理器芯片的合

23、作伙伴，而Intel 所创立的X86指令系统便 属于CISC架构。我们有必要对指令架构、CISC、RISC之类的概念作明晰的解释。 众所周知，微处理器的基本逻辑是运行指令的电路，计算机的任何一个 程序都是由或多或少的基本指令组成，而指令本身又是由若干个微操作构成，例如对两个二进制数进行加减运算，或者将结果送进寄存器中等 等。了解汇编语言或机器语言的读者对此应该比较清楚。这些基本指令 被称为微处理器的微代码(Microcode ),指令数量越多、完成微操 作所需的逻辑电路就越多，芯片的结构就越复杂。每个处理器开发商都 可以自己定义出一套指令系统，但如果指令系统不相同，构成软件的指 令也不相同，这

24、样就无法实现软件兼容。在专用计算机时代，这种情况 十分普遍，各个计算机厂商都独立发展指令系统、微处理器、计算整机 和软件，不同厂商的软硬件产品无法兼容使用，其原因就在于微处理器 的指令系统采用不同的定义。然而，尽管当时指令系统种类甚多，它们 却都归属于CISC架构-CISC的英文全称是 Complex Instruction Set Computer ,意为 复杂指令系统计算机它的特点是指令数量 庞大臃肿，每个指令不管执行频度高低都处于同一个优先级，程序员的 编程工作相对容易。但它的致命弊端是执行效率低下，处理器的晶体管 被大量低效的指令所占据，资源利用率颇为低下。当旧M成功发展出R ISC系

25、统之后，CISC迅速被超级计算机所抛弃。但机缘巧合，它却在 PC上获得新生，为了保持软件兼容，PC必须一直延续X86架构无法脱 离（IBM将标准制定权让给Intel ，最终葬送了自己在PC领域的前途）。 后来加入微处理器战团的 Cyrix 、Rise、AMD IDT等厂商无一不是 如此，PC朝着X86道路渐行渐远，从8位、16位、32位一直扩展到 现在的64位，虽然它依然有旺盛的生命力，但背后的一系列缺陷也逐 渐显现：芯片设计臃肿不堪，能源利用率低下，性能与晶体管规模相当 的RISC产品根本不在一个水平线上。二打卜夕代；白80 20 -1 1图1依据80/20法则划分的冷代码”与 热代码”概念

26、一前者占据X86指令总量的80%,后者只占据20%。与之相应，冷代码执行单元占据 绝大多数硬件资源，而高度活跃的热代码执行单元所占据的硬件资源反 而要少得多。PARROT优化之后，热代码执行单元被大大加强，冷代码单元则被相应缩减，在晶体管规模不变的前提下实现性能的跨越式提 升。相比之下，RISC （全称 Reduced Instruction Set Computer ,精简指令系统计算机）则是一套优化过的指令架构，它是根据著名 的80/20法则所订立。早在上个世纪 60年代，计算机科学家们发现， 计算机中80%的任务只是动用了大约20%的指令，而剩下20%的任务才 有机会使用到其他80%的指

27、令。如果对指令系统作相应的优化，就可以 从根本上快速提高处理器的执行效率。旧M公司在1975年成功开发出第一款RISC处理器，从此RISC架构开始走进超级计算机中。由于指 令高度简约，RISC处理器的晶体管规模普遍都很小而性能强大，深受 超级计算机厂商所青睐。很快，许多厂商都拿出自己的RISC指令系统， 除了 IBM 的 Power 和 PowerPC 夕卜，还有 DEC的 Alpha、SUN的 SP ARC、HP的PA-RISC、MIPS技术公司的 MIPS、ARM公司的ARM等 等。它的应用范围也远比 X86来得广泛，大到各种超级计算机、工作 站、高阶服务器，小到各类嵌入式设备、家用游戏机

28、、消费电子产品、 工业控制计算机，都可以看到 RISC的身影。只不过这些领域同普通消 费者较为脱离，故而少为人知。无论在执行效率、芯片功耗还是制造成本上， 选才I RISC都比沿用 X86更加英明。我们不妨作一番实际的比较：目前 Intel 公司最快的 处理器是Prescott 核心的Pentium 4 XE 系列，它的晶体管总数在1亿7800万个以上，最高功耗达到130W,但它的运算能力不超过20 GigaFlops （FLoating point Operations per Second, 每秒浮点运算）。而目前最快的 RISC处理器是 旧M刚刚推出的Cell ,它 的晶体管总数为2.3

29、4亿个，在采用90纳米工艺制造时芯片面积为 22 1平方毫米，但它的运算力高达 2560GigaFlops ,整整是Pentium 4 XE的128倍。Intel将在年中推出双核心的 Smithfield ，性能最多能有80%的提升，而芯片规模将达到与 Cell相同的水平。由此可 见，二者完全不是一个层面上的对手，X86指令系统的低效性在这里一 览无遗。与此对应，RISC产品在成本上优势明显-半导体芯片的制造成 本同芯片面积三次方成正比。在工艺相同的情况下，芯片面积大小取决 于所集成的晶体管规模。RISC处理器核心精简、效率更高，只要很少 的晶体管就能达到与 X86产品媲美的效能，制造成本可大

30、大低于现有 的X86处理器。而小晶体管规模亦有助于保持较低的能耗值，RISC处理器在这方面表现相当杰出，现在的嵌入式设备几乎都采用RISC产品，原因就在于这类产品的功耗值超低。过去，PC钟情于X86的原因在于软件兼容，尤其是微软只为X86 PC开发Windows系统，这也被认为是 PC采用RISC架构的最大障碍。这个障碍最终也将被解除，Linux 操作系统逐渐发展成熟，Mac OS X 的综合水准更远在 Windows之上，办公、图形、网络、多媒体相关的 各类跨平台应用软件极大丰富。如果你是一个游戏玩家，RISC平台一定会令你大呼过瘾，将于 2005-2006 年发布的索尼PS3、任天堂Rev

31、olution和微软XBOX2等新一代游戏机产品将全面转入 RISC体系（有趣的是，三种游戏机都采用 旧M所设计的处理器，指令系统相同）， 短时间内许多品质一流的配套游戏软件将会大量涌现。只要指令系统相同，这些游戏完全可以实现平滑移植。单从技术角度考虑，以RISC取代X86作为PC的主力架构的确是 非常英明的选择，更高的效率、更快的速度、更低的成本以及同样丰富 的软件支持，RISC PC将展现出勃勃生机。然而，这一切似乎不容易 实现，无论Intel 、AMD还是微软，它们的辉煌成就都构建在 X86的 基础之上，转向RISC对它们来说无异于釜底抽薪。目前执著发展 RIS C PC的只有苹果公司，

32、它们的全系列PC都基于旧M的PowerPC指令 架构。不幸的是，尽管苹果公司大名鼎鼎，但它对整个市场的影响力极 其有限，PC转向RISC最大的障碍不在于技术或兼容性，而是缺乏一 个实质性的领导者，但有迹象表明，蓝色巨人对此有着强烈的意愿，RISC能否把握住PC的下一个三十年尽皆取决于它。即便不采用RISC架构，我们仍然可以借助它的思想对 X86处理器进行 结构性改良。事实上，X86处理器一直都从RISC产品中获取灵感，包 括EV6总线、整合内存控制器、超线程技术、双核心等等新技术新概 念都是首先在RISC产品中得到成功应用，之后才被Intel/AMD 引入 到X86处理器当中。实践证明，这种做

33、法往往对X86处理器的性能提升有着决定性的影响，而从RISC汲取营养也就成为X86业界的习惯做不过，上述这些技术改良都只停留在应用层面， 指令体系的根本差异成为X86与RISC之间的壁垒，若能借助 RISC理念对X86处理器 进行结构性改良，也许可获取更大的效益。Intel 在IDF技术峰会上提出的“PARROT概念便充分体现了这种思想。PARROT的全称是“Pow er AwaReness thRough selective dynamicallyOptimizedTraces”，从其名称不难得知，PARROT是一项借助 动态优化执行路 径”来提高处理器执行效率的技术。它的理论基础也是著名的

34、 80/20法 则，但与RISC不同，X86处理器无法从指令系统层面上实现这一点。，Intel另辟蹊径，提出了一个全新的发展思路，将 20%的常用指令定义为热代码(Hot Code ) ”，剩余的80%指令使用频率没那么高，被 定义为冷代码(Cold Code ) ”。对应的CPU也在逻辑上被划分为两 个部分：一是热核(Hot Spot ),只针对调用到热代码的程序；另一 部分则是冷核(Cold Spot ),负责执行20%的次常用任务。由于热 核部分要执行80%的任务，设计者便可以将它设计得较为强大，占据更多的晶体管资源。而冷核部分任务相对简单，没有必要在它身上花费同 样的功夫。理论上说，设

35、计者可以将80%的晶体管资源用在热核上面，使之高效率执行任务，剩余的20%晶体管资源则用于仅完成20%任务的 冷核。相比之下，现在的 X86处理器完全没经过结构优化，所有指令 地位对等，80%的次常用指令占据了大量的晶体管资源，又没有创造出 相应的价值，芯片内只有 20%的区域处于活跃状态，这显然不够科学。“ PARROT创造了一种崭新的双核概念，过去我们谈论的双核心指的是在一枚芯片内集成两个对等的 CPU内核，通过并行运算获得性能增益，我们可以将它看作是横向维度的对等设计。而“PARROT则是一种纵向维度的双核理念，热核与冷核地位并不对等，且无法独立运作， 只能说是一个CPU内核中的两部分分立逻辑。它所起到的是提高CPU的硬件资源利用率，以高执行效率达到高效能的目的，这种做法显然比目前业界鼓吹的双核心”更具革命意义。我们不妨深入分析“PARROT 的微架构(图2所示)，处理器执行管