CISC与RISC
此部分知识在软考中出现的频率极高，且经常记不全特点，故此专门写一篇博客进行总结
CISC复杂指令集计算机（ Complex Instruction Set Computer ）
指令
数量多、适用频率差别大、可变长
寻址方式
支持多种寻址方式
实现方式
微程序控制技术（微码）
其他
研制周期长
RISC精简指令集计算机（ Reduced Instruction Set Computing ）
指令
数量少、适用频率相近、定长格式、大部分为单周期指令、操作寄存器、只有Load/Store操作内存
寻址方式
支持方式少
实现方式
增加了通用寄存器；硬布线逻辑控制为主、适合采用流水线；需要类库多
其他：
优化编译、有效支持高级语言
总结
底层复杂顶层精简

精简指令集（MIPS为例）常用指令特点及其格式
一、指令集
指令集是指一台计算机的全部指令；不同的计算机有不同的指令集，但是在许多方面都有共同之处。早期的计算机有非常简单的指令集：实现简单，许多现代计算机也有简单的指令集。因此，指令集具有精简指令集（RISC）与复杂指令集（CISC）之分，本文主要介绍精简指令集，并以其中的MIPS为例展开。
二、设计原则
设计原则1: 简单源于规整

规整使得实现更简单

简单使得以较低成本实现更高性能成为可能

设计原则2: 越小越快

设计原则3: 加速执行常用操作

小常数出现频率高

立即数操作避免load指令

设计原则4：优秀的设计需要适宜的折中方案

不同的指令格式使译码变得复杂, 但是允许所有指令统一32-bit 字长

使格式尽可能相似
三、常用指令
常用指令汇总
	add rd,rs,rt
		rd=rs+rt;
	sub rd,rs,rt
		rd=rs-rt;
	addi rt,rs,constant
		rt=rs+constant;
	lw rt,rs,constant
		rt=Address(rs+constant/4);//Address(rs+constant/4)表示：rs对应的数组，索引为constant/4的取值
	lw rt,rs,constant
		Address(rs+constant/4)=rt;
	sll rt,rs,constant
		rt=rs<<4;
	srl rt,rs,constant
		rt=rs>>4;
	and rd,rs,rt
		rd=rs&rt;//按位与，还有andi
	or rd,rs,rt
		rd=rs|rt;//按位或，还有ori
	nor rd,rs,rt//rt取$zero
		rd=rs~rt;//按位取反
	beq rs,rt,L1
		if (rs == rt) 分支跳转到指令L1;
	bne rs, rt, L1
		if (rs != rt) 分支跳转到指令L1;
	j L1
		无条件跳转到指令 L1
	slt rd,rs,rt
		if (rs<rt) rd=1; else rd=0;
	slti rt,rs,constant
		if (rs<constant) rt=1; else rt=0;
	带符号数比较：slt, slti
	无符号数比较：sltu, sltiu
	例如：
		$s0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111
		$s1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
	slt $t0,$s0,$s1  # signed
		–1 < +1 ===> $t0 = 1
	sltu $t0,$s0,$s1  # unsigned
		+4,294,967,295 > +1 ===> $t0 = 0
	jal 过程标签l
		跳转到目标地址
	jr $ra
		复制 $ra的内容到程序计数器PC
	lb rt, offset(rs)     lh rt, offset(rs)
		在 rt中用符号位扩展到32 bits
	lbu rt, offset(rs)    lhu rt, offset(rs)
		在 rt中用0扩展到32 bits
	sb rt, offset(rs)     sh rt, offset(rs)
		只存储最右边的字节/半字
	lui rt, constant
		复制16-bit 常数值 到rt的高16位，将rt 的低16位清为 0
	链接取数：ll rt, offset(rs)
	条件存数：sc rt, offset(rs)


寄存器用法
$a0 – $a3：参数寄存器 (reg’s 4 – 7)

$v0, $v1：结果值寄存器(reg’s 2 and 3)

$t0 – $t9：临时寄存器，用于存储临时值，可以由被调用者重写

$s0 – $s7：保留寄存器，用于存储变量，必须由被调用者保存/恢复

$gp：静态数据的全局指针(reg 28)

$sp：栈指针(reg 29)

$fp：帧指针(reg 30)

$ra：返回地址(reg 31)
过程调用步骤
1.将参数放在寄存器中

2.将控制转移给过程

3.获得过程所需的存储资源

4.执行过程的操作

5.将结果放在调用者可以访问到的寄存器

6.返回调用点
四、32位指令格式
R-格式指令



op：操作码(opcode)

rs：第一源操寄存器号

rt：第二源操寄存器号

rd：目的寄存器号

shamt：移位的位数（其它指令为00000）

funct：功能码（扩展操作码）
I-格式指令



立即数运算和load/store指令

rt：源寄存器号（store指令）或目的寄存器号（立即数运算和load指令）

立即数：–215 — +215 – 1

地址：rs中的基地址加上偏移量
J-格式指令



跳转 (j和jal) 目标地址可以是代码段的任意位置

ARM是一种RISC体系结构的处理器芯片。和传统的CISC体系结构不同,RISC 有以下的几个特点：
◆ 简洁的指令集——为了保证CPU可以在高时钟频率下单周期执行指令,RISC指令集只提供很有限的操作（例如add, sub, mul等）,而复杂的操作都需要由这些简单的指令来组合进行模拟。并且,每一条指令不仅执行时间固定,其指令长度也是固定的,这样,在译码阶段就可以对下一条指令进行预取。
◆ Load-Store 结构——这个应该是RISC 设计中比较有特点的一部分。在RISC中,CPU并不会对内存中的数据进行操作,所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的,这也是一个比较特别的地方。
arm处理器有七种运行模式，我们在这里只讨论user模式，在user模式下arm处理器的主要寄存器及其功能如下图所示：



arm的指令格式：
<opcode>{<cond>}{S}<Rd>,<Rn>{,<opcode2>}
       其中，<>内的项是必须的，{}内的项是可选的，如<opcode>是指令助记符，是必须的，而{<cond>}为指令执行条件，是可选的，如果不写则使用默认条件AL(无条件执行)。
       opcode 指令助记符，如LDR，STR 等
       cond 执行条件，如EQ，NE 等
       S 是否影响CPSR 寄存器的值，书写时影响CPSR，否则不影响
       Rd 目标寄存器
       Rn 第一个操作数的寄存器
       operand2 第二个操作数
下面我们来通过一个简单的例子来熟悉一下Arm的指令集，源代码如下：

</pre><pre name="code" class="cpp">#include <stdio.h>
int main(int argc, char **argv)
{
	printf("Hello, ARM!\r\n");
	return 0;
}


IDA反汇编代码如下所示：
.text:000004C4 var_C           = -0xC
.text:000004C4 var_8           = -8
.text:000004C4
.text:000004C4                 STMFD   SP!, {R11,LR}；将LR，R11压入栈，保存其值，！表示回写到SP
.text:000004C8                 ADD     R11, SP, #4；将R11指向栈幁底部，用来寻址访问变量
.text:000004CC                 SUB     SP, SP, #8；开辟2个临时变量的空间
.text:000004D0                 STR     R0, [R11,#var_8]；将R0的值赋值给变量<span style="font-size: 13.3333px; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">var_8</span>
.text:000004D4                 STR     R1, [R11,#var_C]；<span style="font-size: 13.3333px; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">将R1的值赋值给变量</span><span style="font-size: 13.3333px; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">var_C</span><span style="font-size: 13.3333px; font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">
</span>.text:000004D8                 LDR     R3, =(aHelloArm - 0x4E4)；=相当于X86里面的offset
.text:000004DC                 ADD     R3, PC, R3      ; 重定位将"Hello, ARM!\r"字符串的地址赋值给R3
.text:000004E0                 MOV     R0, R3          ; 将字符串地址赋值给R0进行传参
.text:000004E4                 BL      puts             ; 调用puts库函数
.text:000004E8                 MOV     R3, #0          ;R3清零，#表示立即数
.text:000004EC                 MOV     R0, R3          ;R0清零
.text:000004F0                 SUB     SP, R11, #4    ;SP还原，清除临时变量空间
.text:000004F4                 LDMFD   SP!, {R11,PC} ;还原R11值，并将函数返回地址赋值给PC

这里我们主要来观察一下STMFD指令对后面寄存器的压栈顺序：

这里反汇编引擎将STMFD指令使用PUSH指令替换，但是不影响我们观察结果，很明显，STMFD指令会将后面的寄存器参数列表按照从右向左的方式压入栈。

RISC和CISC是CPU从指令集的特点上可以分为两类:CISC和RISC。RISC是英文Reduced Instruction Set Computing的缩写,就是"精简指令运算集”。CISC就是"复杂指令运算集"。
RISC的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有Compaq（康柏，即新惠普）公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的Power PC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Spare。
CPU执行运算速度受三个因素的影响(1)程序中指令数I，(2)每条指令执行所用周期数CPI，(3)周期时间T。这三者又有：程序执行时间=I＊CPI＊T，因此，从这个等式可看出减小其中任一个都可提高CPU的速度，因此RISC技术就从这三方面下手，对I、CPI、T进行优化改良，其措施如下：
　　1、采用多级指令流水线结构 
　　采用流水线技术可使每一时刻都有多条指令重叠执行，以减小CPI的值，使CPU不浪费空周期。实例：Pentium Ⅱ/Pro/Celeron可同时发出执行五条指令，AMD－K6/K6－2可同时发出六条指令。 
　　2、选取机器中使用频率最高的简单指令及部分复杂指令 
　　这样可减小时钟周期数量，提高CPU速度，其实质是减小CPI下的值实现。实例：选取运算指令、加载、存储指令和转移指令作主指令集。 
　　3、采用加载(Load)、存储(Store)结构 
　　只允许Load和Store指令执行存储器操作，其余指令均对寄存器操作。实例：Amd－K6/K6－2、PⅡ/Celeron/Pro均支持对寄存器的直接操作和重新命名，并大大增加通用寄存器的数量。 
　　4、延迟加载指令和转移指令 
　　由于数据从存储器到寄存器存在二者速度差、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。 
　　实例：主要体现于预测执行、非顺序执行和数据传输等方面，除Intel P54/55C不支持，像K6－2、PⅡ均支持。 
　　5、采用高速缓存(cache)结构 
　　为保证指令不间断地传送给CPU运算器，CPU设置了一定大小的Cache以扩展存储器的带宽，满足CPU频繁取指需求，一般有两个独立Cache，分别存放“指令＋数据”。 
　　实例：PⅡ/Celeron:16K＋16K，AMD－K6/K6－2为32K＋32K，Cyrix MⅡ:64K(实也为2个32K Cache，此作共享Cache)，PⅡ还加了L2 Cache，更是大幅提高了CPU速度。