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  • CPU精简指令集和复杂指令集的区别

    千次阅读 2021-07-31 01:48:40
    经常看到计算机课程上介绍PowerPC是采用精简指令集的CPU,酷睿CPU是复杂指令集。那么到底精简指令集和复杂指令集有什么区别呢?以下内容摘自百度百科:在计算机指令系统的优化发展过程中,出现过两个截然不同的优化...

    经常看到计算机课程上介绍PowerPC是采用精简指令集的CPU,酷睿CPU是复杂指令集。那么到底精简指令集和复杂指令集有什么区别呢?

    以下内容摘自百度百科:

    在计算机指令系统的优化发展过程中,出现过两个截然不同的优化方向:CISC技术和RISC技术。CISC是指复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer);RISC是指精减指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)。这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令,也就是CPU能够直接识别的指令。随着计算机系统的复杂,要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初,人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令,把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现,以此来提高计算机的执行速度,这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机,即Complex Instruction Set Computer,简称CISC。另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的,其基本思想是尽量简化计算机指令功能,只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令,而把较复杂的功能用一段子程序来实现,这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机.即Reduced Instruction Set Computer,简称RISC。RISC技术的精华就是通过简化计算机指令功能,使指令的平均执行周期减少,从而提高计算机的工作主频,同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。

    通过上述内容大家基本可以知道,复杂指令集就是将更多功能步骤集成在了CPU中。例如烹饪西红柿鸡蛋的步骤包括:购买西红柿和鸡蛋,清洗食材,打鸡蛋,炒鸡蛋,放西红柿继续炒,放糖,放盐,炒熟之后盛盘上桌。这样已连续的步骤被集成在CPU内部。外部程序需要烹饪西红柿鸡蛋的时候只需要向CPU下达指令说:“烹饪西红柿鸡蛋”就可以了。复杂指令集就是将琐碎的步骤实现集成到了CPU内部,例如INTEL的SSE3等。

    精简指令集就是在CPU中只有容器,调料等基本指令。需要人们在软件中写上如何协调这些指令的步骤,例如你需要向CPU下达指令说:买西红柿,清晰食材,打鸡蛋,炒鸡蛋,放西红柿继续炒,放糖,放盐,炒熟之后盛盘上桌。

    由此可见当两个人比赛做饭的时候,复杂指令集的参赛者只需要不停的说“做饭做饭”就可以了。而精简指令集的参赛者需要不停的重复做饭的整个过程和步骤。如果精简指令集的参赛者嘴巴够快才能赶上复杂指令集的参赛者,但是这个“嘴巴”其实取决于内存和CPU之间的带宽是否足够。当然精简指令集也同样存在优越性,复杂指令集要通过不断增加指令的复杂程度和指令的数量来提高性能所以才会越做越大越做越耗电,而精简指令集相比较无疑体积更小更加省电。

    上面只是举了一个较为偏激的例子而已,你可以认为是针对于嵌入式精简指令集和普通酷睿(X86)架构的一个比较,这个是不对等和不公平的。IBM PowerPC可是堪比至强性能的呢,这是怎么回事呢?IBM在70年代末期提出复杂指令集存在很多缺点:1,随着应用需求,复杂指令集不可能无止境的增加指令。2,实际程序运行过程中80%的指令,只占一个处理器指令系统的20%,被频繁使用的指令只是一些取、存和加这些最简单的指令。3,CPU厂商不同,复杂指令集也不同,程序的可移植性会非常差,即便可以运行效率也会相差较大(所以我常说服务器要用INTEL处理器,因为更多的程序以调用INTEL指令集为依据)。针对复杂指令集的弊端才提出了精简指令集。

    IBM PowerPC无疑拥有更强劲的处理性能与更大的内存带宽,但是其精简指令集的CPU决定了只能在某个特定应用领域才能完胜至强。因为PowerPC本身硬件设计和软件设计更具备针对性。例如并发控制、数据存取。

    总结:精简指令集也好,复杂指令集也罢都是CPU运行功能和实现应用的方法而已。在特定领域和行业选择不同指令集CPU才是王道。手机和火星登陆车里边永远无法放进去X86,个人家用电脑日趋强劲的多应用多功能化也永远不要奢望使用IBM PowerPC。

    有人说精简指令集架构平台下对于程序员的要求会更高呢?其实未必。在写程序时精简指令集和复杂指令集开发代码上并没有特别大的差异,真正转换成特定CPU指令架构底层语言是依靠编译器实现的。也就是你的代码技能在精简指令集用,也能在复杂指令集用,主要取决于你的编译器编译出的汇编语言适用于何种架构。

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  • CISC 和RISC 是时代的产物; IBM工程师研究发现,处理器提供的大量指令集和复杂寻址方式并不会被编译器生成的代码用到...80% 的复杂指令只占程序指令的20%; 根据这一特性,在CISC的基础上定义了新的RISC指令集; ...

    CISC 和RISC 是时代的产物;

    IBM工程师研究发现,处理器提供的大量指令集和复杂寻址方式并不会被编译器生成的代码用到;

    20%的简单指令占据程序编译结果的80%;

    80% 的复杂指令只占程序指令的20%;

    根据这一特性,在CISC的基础上定义了新的RISC指令集;

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  • 大家认为高级语言中的一些概念比如函数调用、循环控制、复杂的寻址模式、数据结构和数组的访问等都应该直接有对应的机器指令,这些就是现代大家认为的复杂指令集CISC非常鲜明的特点。 除了更方便的使用汇编语言写...

    英国生物学家达尔文于 1859 年出版了震动整个学术界和宗教界的《物种起源》,达尔文在这本书里提出了生物进化论学说,认为生命在不断演变进化,物竞天择适者生存。

    没有历史的计算机

    生命是这样,实际上计算机技术也是如此。

    计算机技术也和生命体一样在不断演变进化,在讨论一项技术时,如果不了解其演变过程而仅仅着眼于当下就会让人疑惑,不巧的是这正是当前计算机教育的现状——没有历史。

    因此,在这里我将尝试从历史的角度来讲讲 CPU,以及 CPU 的发展历程。

    本篇主要关注CPU与复杂指令集CISC。

    首先来看下什么是CPU。

    什么是CPU?

    我们都是程序员,那么从程序员的角度来看,CPU的工作其实是很简单的。

    我们编写的所有程序,不管是简单的Hello World,还是复杂的比如PhotoShop之类大型App,最终都会被编译器转为一条条简单的机器指令,因此在CPU看来所有程序是没有什么本质区别的,无非就是一个包含的指令多,一个包含的指令少,这些指令就保存在可执行文件中,程序运行时被加载到内存开始被CPU执行。

    管你是简单程序还是复杂程序,CPU才不关心这些,它只需要简单一条一条的执行就可以了,因此,在程序员眼里 CPU 是一个很简单的家伙。

    有很多同学可能会好奇CPU是怎么构造出来,你可以参考《你管这破玩意叫CPU》。

    接下来我们的视角就可以进一步聚焦了,CPU执行的是什么机器指令呢?

    CPU的能力圈:指令集

    我们该怎样描述一个人的能力呢?写过简历的同学肯定都知道,就像这样:

    会写代码

    会炒菜

    会唱歌

    会跳舞

    会炒股

    。。。

    巴菲特有一个词用的很好,这叫能力圈,如果一个人会“写代码”,那么你命令这个人“写代码”,他就能写出代码来(现实情况下你让他写代码他可能会过来打你)。

    CPU也是同样的道理,每种类型的CPU都要自己的能力圈,只不过CPU的能力圈有一个特殊的名字,叫做 Instruction Set Architecture ,ISA,也就是指令集,指令集中包含各种各样的指令:

    会加法

    会从内存把数据搬运到寄存器

    会跳转

    会比较大小

    。。。

    指令集告诉我们一个CPU可以干嘛。

    你从ISA中找一条指令发给CPU,CPU就是完成这条指令所代表的任务。

    ISA有什么用呢,当然是程序员用来编程啦!

    没错,最初的程序都是面向CPU直接用汇编来写程序,这一时期也非常的朴实无华,没有那么多花哨的概念,什么面向对象啦,什么设计模式啦,统统没有,总之这个时期的程序员写代码只需要看看ISA就可以了。

    这就是指令集的概念,注意,指令集是CPU告诉程序员该怎么让自己工作的。

    不同的CPU会有不同类型的指令集指令集的类型除了影响程序员写汇编程序之外还会影响CPU的硬件设计,到底CPU该采用什么类型的指令集,CPU该如何设计,这一论战持续至今,并且愈发精彩。

    接下来我们看一下第一种也是最先诞生的指令集类型:复杂指令集,Complex Instruction Set Computer,简称CISC。当今普遍存在于桌面PC以及服务器端的x86架构就是基于复杂指令集CISC,生产x86处理器的厂商就是我们熟悉的“等,等等等等”英特尔以及AMD。

    抽象:少就是多

    直到1970s年代,这一时期编译器还非常菜,不像现在这么智能,没多少人信得过编译器,大部分程序还是用汇编语言纯手工编写 (这一点极为重要,对于接下来理解复杂指令集非常关键),这对现代程序员来说是无法想象的,不要说手写汇编语言,就是看懂汇编语言的程序员都不会很多。

    当然,现代编译器已经足够强大足够智能,编译器生成的汇编语言已经足够优秀,因此当今程序员,除了编写操作系统以及部分驱动的那帮家伙,剩下的几乎已经意识不到汇编语言的存在了,不要觉得可惜,这是生产力进步的表现,用高级语言编写程序的效率可是汇编语言望尘莫及的。

    题外话说的有点多,总之,这一时期的大部分程序都是直接通过汇编语言编写的,因此大家普遍认为指令集应该更加丰富一些、指令本身功能更强大一些,程序员常用的操作最好都有对应的特定指令,毕竟大家都在直接用汇编语言来写程序,如果指令集很少或者指令本身功能单一,那么程序员用汇编指令写起程序会会非常繁琐,很不方便,如果你在这个时期用汇编写程序你也会这样想

    这就是这个时期一些计算机科学家所谓的抹平差异,semantic gap,抹平什么差异呢?

    大家认为高级语言中的一些概念比如函数调用、循环控制、复杂的寻址模式、数据结构和数组的访问等都应该直接有对应的机器指令,这些就是现代大家认为的复杂指令集CISC非常鲜明的特点。

    除了更方便的使用汇编语言写程序,另一点需要考虑就是存储。

    物种起源

    当今的计算机都遵从冯诺依曼架构,该架构的核心思想之一是“程序应该和数据一样都作为比特保存在计算机存储设备中”,下面这张图是所有计算设备的鼻祖,你现在看这篇文章用计算设备,不管是智能手机或者iPad、PC,亦或是存放这篇文章的微信数据中心服务器,其本质都是下面这张简单的图,这张图是一切计算设备的起源

    代码也是要占存储空间的

    从冯诺依曼结构中我们就能知道为什么当今可执行程序中,比如Windows下的EXE或者Linux下的ELF文件,即包含机器指令也包含数据,对于程序员来说我们可以简单的认为可执行程序中有两部分内容:数据段以及代码段:

    由此可见,程序员写的代码是要占据存储空间的,要知道在1970s年代,内存大小仅仅数KB到数十KB,这是当今程序员不可想象的,因为现在(2021年)的智能手机内存都已经数GB。如图所示是1974年发布的Intel 1103内存芯片:

    大小只有 1KB 的英特尔1103存储芯片的于1974年发布,这标志着计算机工业界开始进入动态随机存储DRAM时代,DRAM也就是我们熟知的内存。

    大家可以思考一下,几KB的内存,可谓寸土寸金,这么小的内存要想装入更多的程序就必须仔细的设计机器指令以节省程序占据的空间,这就要求:

    1. 一条机器指令尽可能完成更多的任务,这很容易理解,就像在《你管这破玩意叫编程语言》这篇中的例子一样,你更希望有一条“给我端杯水”的指令,而不是自己去写“迈出左脚;停住;迈出右脚;直到饮水机;伸出右手;拿起水杯;接水。。。”等等这样的汇编代码

    2. 机器指令长度不固定,也就是变长机器指令,简单的指令占据更少的空间

    3. 机器指令高度编码(encoded),提高代码密度,节省空间

    复杂指令集诞生的必然

    基于对程序员方便编写汇编语言以及节省代码存储空间的需要,直接促成了复杂指令集的设计,因此我们可以看到复杂指令集是这一时期必然的选择,该指令集就这样诞生了并开始成为主流。

    就这样经过一段时间后,人们发现了新的问题,由于单条指令比较复杂,设计解码机器指令的硬件(CPU的一部分)成了一件非常麻烦的事情,该怎样解决这一问题呢?

    CPU真的在直接执行机器指令吗?

    作为程序员,我们知道,对于重复使用的代码其实是没有必要一遍遍编写的,你可以把这些代码封装到函数中,这样每次使用时只需要调用这个函数就好了,这个思路可以解决上述问题。

    对于指令集中的每一条机器指令都有一小段对应的程序,这些程序存储在CPU中,这些程序都是由更简单的指令组成,这些指令就是所谓的微代码,Microcode。

    就这样CPU的指令集可以添加更多的指令,代价仅仅是再多一些简单的微代码而已,是不是很天才的设计。

    在这里也可以看到,一般我们认为CPU直接执行机器指令,严格来说这是不正确的,对于含有微代码设计的CPU来说,CPU直接执行的并不是机器指令,而是微代码,微代码是CPU以及机器指令的中间层,机器指令相对于微代码来说是“更高级的语言”,机器指令对程序员来说可见,但微代码对程序员来说不可见,程序员无法直接使用微代码来控制CPU

    而在这一时期,这些微代码普遍存放在ROM中,Read-Only Memory,而ROM普遍要比内存便宜,因此依靠存储在ROM中的微代码来设计更多复杂指令进而减少程序本身对内存的占用是非常划算的。

    新的问题

    一切看上去都很好,有了复杂指令集,程序员可以更方便的编写汇编程序,这些程序也不需要占用很多存储空间,代价就是CPU中需要有微代码来简化CPU设计。

    然而这一设计随着时间的推移又出现了新的问题。

    作为程序员我们知道代码难免会有bug,微代码也不会有例外。但修复微代码的bug要比修复普通程序的bug困难的多,你无法像普通程序那样来测试、调试微代码,这一切都太复杂了。

    而且微代码设计非常消耗晶体管,1979年代的Motorola 68000 处理器就采用该设计,其中三分之一的晶体管都用在了微代码上。

    同年,计算机科学家Dave Patterson被委以重任来改善微代码设计,为此他还专门发表了论文,但他后来又推翻了自己想法,认为微代码设计的复杂性问题很难解决,有问题的是微代码这种设计本身。。

    因此,有人开始反思,是不是还会有更好的设计。。。

    预知后事如何请听下回分解。

    总结

    CPU是整个计算机系统的核心,CPU指令集ISA更是核心中的核心。

    本文从历史的角度讲述了复杂指令集出现的必然,复杂指令集对于那些直接使用汇编语言进行编程的程序员来说是很方便的,同时复杂指令集的指令密度更高,相同的存储空间可以存储更多程序,这一切都推动了复杂指令集的发展。

    然而任何事物都有其必然性以及局限性,复杂指令集也不例外,随着时间的推移采用复杂指令集的CPU设计出现各种各样的问题,面对这些问题一部分人开始重新思考指令集到底该如何设计,我们将在下篇文章中继续讲述这一话题。

    希望本篇对大家理解复杂指令集有所帮助。

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    再一次感谢各位读者大人们。

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    1. 指令集系统

      在计算机系统结构发展过程中,指令集系统有两个截然不同的发展方向。一个是增强指令的功能,设置一些功能复杂的指令,把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现,这种计算机系统称为复杂指令系统计算机Complex Instruction Set Computer,CISC)。

      另一个是尽量简化指令功能,只保留那些功能简单,能在一个节拍内执行完成指令,较复杂的功能用一段子程序来实现,这种计算机系统称为精简指令系统计算机Reduced Instruction Set Computer,RISC)。

    2. CISC和RISC

      常用的个人计算机是典型的CISC系统,指令集复杂,只需简单操作就可以编写功能强大的程序。而普通的单片机系统大多数都是RISC系统,需要考虑到各种资源性能进行编程。

    CISCRISC
    指令数量
    指令复杂度复杂简单
    指令长度变长等长
    寻址方式
    指令使用频率相差很大相差不大
    指令周期多周期为主单周期为主
    可访存指令不加限制只有LOAD/STORE指令
    控制器实现方式微程序控制硬布线控制
    软件开发时间较短较长

    3. 硬布线控制器与微程序控制器

      硬布线控制器可以简单理解为用硬件的硬布线逻辑设计成的控制器,大多指令由组合逻辑电路根据当前的指令码状态和时序即时产生,故指令运行速度快,但受硬件布线空间体积限制,只能实现很少的指令控制,且不易扩充,故经常适用于精简指令集计算机RISC

      微程序控制器将微操作信号以微程序的形式放在存储控制器中,执行指令时读出即可,实现软件功能的硬件化,因此指令集易扩充且扩充成本不大,适用于复杂指令集系统CISC


    例题

    例1

       以下叙述中,不符合RISC指令系统特点的是 () 。

    • A.指令长度固定,指令种类少
    • B.寻址方式种类丰富,指令功能尽量增强
    • C.设置大量通用寄存器,访问存储器指令简单
    • D.选取使用频率较高的一些简单指令

    解析:寻址方式种类丰富,指令功能强大是CISC的特点。选B。

    例2

      以下关于CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机) 和RISC (Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机) 的叙述中,错误的是______。

    • A.在CISC中,其复杂指令都采用硬布线逻辑来执行
    • B.采用CISC技术的CPU,其芯片设计复杂度更高
    • C.在RISC中,更适合采用硬布线逻辑执行指令
    • D.采用RISC技术,指令系统中的指令种类和寻址方式更少

    解析:选A。在CISC当中,由于指令数量众多且复杂,所以主要考虑微程序控制器执行指令方式,将众多的指令实现软件功能硬件化,这样极易扩充众多指令,并且对芯片的设计复杂程度要求高。在RISC中,由于指令集数目少,所以采用硬布线控制器,用组合逻辑电路就可以实现,速度更快,但相应的指令种类和寻址方式更少。

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复杂指令集的特点