架构设计之CPU架构

前言

当前的CPU主要分为两类: CISC 和 RISC，它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法

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CISC/复杂指令集

长期来，计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得．随着集成电路技术．特别是VLSI（超大规模集成电路）技术的迅速发展，为了软件编程方便和提高程序的运行速度，
硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式。甚至某些指令可支持高级语言语句归类后的复杂操作。至使硬件越来越复杂，造价也相应提高．
为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外。还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能 ，来处理在分析每一条指令之后执行一系
列初级指令运算来完成所需的功能，这种设计的型式被称为复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer-CISC)结构．一般CISC计算机所含的指令数目至少300条以上，
有的甚至超过500条。

早期的CPU全部是CISC架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。比如对于乘法运算，在CISC架构的CPU上，可能需要这样一条指令：MUL ADDRA,
ADDRB就可以将ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑
来实现。这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求，但对于编译器的开发十分有利。比如上面的例子，C程序中的a*=b就可以直接编译为一条乘法指令。今天只有Intel
及其兼容CPU还在使用CISC架构。

RISC/精简指令集

采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力，这对提高计算机的性能是有益的。当计算机的设计沿着这条道路发展时。有些人没有随波逐流．他们回过头去看一看过去
走过的道路，开始怀疑这种传统的做法：IBM公司在纽约Yorktown的JhomasI.Wason研究中心于1975年组织力量研究指令系统的合理性问题．因为当时已感到，日趋庞杂的指令系
统不但不易实现．而且还可能降低系统性能。1979年以帕特逊教授为首的一批科学家也开始在美国加册大学伯克莱分校开展这一研究。结果表明，CISC存在许多缺点。首先，在这种计
算机中，各种指令的使用率相差悬殊：一个典型程序的运算过程所使用的80％指令，只占一个处理器指令系统的20％，事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令。这
样一来，长期致力于复杂指令系统的设计，实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器。同时，复杂的指令系统必然带来结构的复杂性。这不但增加了设计的时间与
成本还容易造成设计失误。此外，尽管VLSI技术现在已达到很高的水平，但也很难把CISC的全部硬件做在一个芯片上，这也妨碍单片计算机的发展。在CISC中，许多复杂指令需要极
复杂的操作，这类指令多数是某种高级语言的直接翻版，因而通用性差。由于采用二级的微码执行方式，它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度。因而，针对CISC的这些
弊病。帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。按照这个原则发展而成的计算机被
称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构，简称RISC。

RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。上面的例子如果要在RISC架构上实现，将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作都必须由软件来实现,
比如：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设
计有更高的要求。

总结

我们经常谈论有关PC与Macintosh的话题，但是又有多少人知道以Intel公司X86为核心的PC系列正是基于CISC体系结构，而Apple公司的Macintosh则是基于
RISC体系结构，CISC与RISC到底有何区别？

从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集，
CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。因此在并行处理方面RISC明显优于CISC，RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处
理器同时执行。由于RISC执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。

从软件角度来看，CISC运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而且它拥有65%以上的软件厂商代理为基于CISC体系结构的PC及其兼容机服务的，像赫赫有
名的Microsoft就是其中大量的应用程序。而RISC在此方面却显得有些势单力薄。虽然在RISC上也可运行DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要
慢许多。

目前CISC与RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5就是一个最明显的例子，它们的内核都是基于RISC体系结构的。他们接受CISC指令后将其分解分类成
RISC指令以便在同一时间内能够执行多条指令。由此可见，下一代的CPU将融合CISC与RISC两种技术，从软件与硬件方面看二者会取长补短。

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