RISC和CISC的區(qū)別.doc

RISC和CISC的區(qū)別RISC的簡介RISC(reduced instruction set computer，精簡指令集計(jì)算機(jī))是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器(如下圖)起源于80年代的MIPS主機(jī)，RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作(每秒執(zhí)行更多百萬條指令，即MIPS)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會更慢。RISC的簡單使得在選擇如何使用微處理器上的空間時擁有更多的自由。比起從前，高級語言編譯器能產(chǎn)生更有效的代碼，因?yàn)榫幾g器使用RISC機(jī)器上的更小的指令集。RISC微處理器不僅精簡了指令系統(tǒng)，采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一種超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則采用超流水線結(jié)構(gòu)，這些RISC處理器在構(gòu)建并行精簡指令系統(tǒng)多處理機(jī)中起著核心的作用。RISC處理器是當(dāng)今UNIX領(lǐng)域64位多處理機(jī)的主流芯片。其特點(diǎn)主要有：一，由于指令集簡化后，流水線以及常用指令均可用硬件執(zhí)行；二，采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之間進(jìn)行，提高了處理速度；三，采用緩存-主存-外存三級存儲結(jié)構(gòu)，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因存儲器存取信息而放慢處理速度。由于RISC處理器指令簡單、采用硬布線控制邏輯、處理能力強(qiáng)、速度快，世界上絕大部分UNIX工作站和服務(wù)器廠商均采用RISC芯片作CPU用。RISC芯片的工作頻率一般在400MHZ數(shù)量級。時鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機(jī)器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。單一指令周期容納多部并行操作。在RISC微處理器發(fā)展過程中。曾產(chǎn)生了超長指令字(VLIW)微處理器，它使用非常長的指令組合，把許多條指令連在一起，以能并行執(zhí)行。VLIW處理器的基本模型是標(biāo)量代碼的執(zhí)行模型，使每個機(jī)器指令內(nèi)有多個操作。有些RISC處理器中也采用少數(shù)VLIW指令來提高處理速度。Pentium 4微處理器體系結(jié)構(gòu)完全采用RISC體系結(jié)構(gòu)。CISC的簡介CISC是復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Complex Instruction Set Computer)的簡稱，微處理器是臺式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本處理部件，每個微處理器的核心是運(yùn)行指令的電路。指令由完成任務(wù)的多個步驟所組成，把數(shù)值傳送進(jìn)寄存器或進(jìn)行相加運(yùn)算。復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(Complex Instruction Set Computer，CISC)早期的計(jì)算機(jī)部件比較昂貴，主頻低，運(yùn)算速度慢。為了提高運(yùn)算速度，人們不得不將越來越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計(jì)算機(jī)的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)體系。為了在有限的指令長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的指令，人們又設(shè)計(jì)了操作碼擴(kuò)展。然后，為了達(dá)到操作碼擴(kuò)展的先決條件-減少地址碼，設(shè)計(jì)師又發(fā)現(xiàn)了各種尋址方式，如基址尋址、相對尋址等，以最大限度地壓縮地址長度，為操作碼留出空間。Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來的Pentium系列，每出一代新的CPU，都會有自己新的指令，而為了兼容以前的CPU平臺上的軟件，舊的CPU的指令集又必須保留，這就使指令的解碼系統(tǒng)越來越復(fù)雜。CISC可以有效地減少編譯代碼中指令的數(shù)目，使取指操作所需要的內(nèi)存訪問數(shù)量達(dá)到最小化。此外CISC可以簡化編譯器結(jié)構(gòu)，它在處理器指令集中包含了類似于程序設(shè)計(jì)語言結(jié)構(gòu)的復(fù)雜指令，這些復(fù)雜指令減少了程序設(shè)計(jì)語言和機(jī)器語言之間的語義差別，而且簡化了編譯器的結(jié)構(gòu)。為了支持復(fù)雜指令集，CISC通常包括一個復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路和一個微程序控制器。微程序控制器由一個微程序存儲器、一個微程序計(jì)數(shù)器(MicroPC)和地址選擇邏輯構(gòu)成。在微程序存儲器中的每一個字都表示一個控制字，并且包含了一個時鐘周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)通路控制信號的值。這就意味著控制字中的每一位表示一個數(shù)據(jù)通路控制線的值。例如，它可以用于加載寄存器或者選擇ALU中的一個操作。此外每個處理器指令都由一系列的控制字組成。當(dāng)從內(nèi)存中取出這樣的一條指令時，首先把它放在指令寄存器中，然后地址選擇邏輯再根據(jù)他來確定微程序存儲器中相應(yīng)的控制字順序起始地址。當(dāng)把該起始地址放入MicroPC中后，就從微程序內(nèi)存中找到相應(yīng)的控制字，并利用它在數(shù)據(jù)通路中把數(shù)據(jù)從一個寄存器傳送到另一個寄存器。由于MicroPC中的地址并發(fā)遞增來指向下一個控制字，因此對于序列中的每個控制器都會重復(fù)一遍這一步驟。最終，當(dāng)執(zhí)行完最后一個控制字時，就從內(nèi)存中取出一條新的指令，整個過程會重復(fù)進(jìn)行。由此可見，控制字的數(shù)量及時鐘周期的數(shù)目對于每一條指令都可以是不同的。因此在CISC中很難實(shí)現(xiàn)指令流水操作。另外，速度相對較慢的微程序存儲器需要一個較長的時鐘周期。由于指令流水和短的時鐘周期都是快速執(zhí)行程序的必要條件，因此CISC體系結(jié)構(gòu)對于高效處理器而言不太合適的。CISC存在的問題：指令系統(tǒng)龐大，指令功能復(fù)雜，指令格式、尋址方式多；執(zhí)行速度慢；難以優(yōu)化編譯，編譯程序復(fù)雜；80%的指令在20%的運(yùn)行時間使用；無法并行；無法兼容；導(dǎo)致CISC指令系統(tǒng)復(fù)雜的主要原因：減少語義差距減少存儲空間，提高速度為了向上兼容帶來的后果電路復(fù)雜，編譯效率低無法并行；無法兼容典型的CISC產(chǎn)品項(xiàng)目VAX11/780 1978年Intel80386 1985年MC68020 1984年指令條數(shù)304 111 101尋址方式24 11 16指令格式變長(2-57byte)變長(1-17byte)RISC和CISC的區(qū)別CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))和RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))是當(dāng)前CPU的兩種架構(gòu)。它們的區(qū)別在于不同的CPU設(shè)計(jì)理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)目的是要用最少的機(jī)器語言指令來完成所需的計(jì)算任務(wù)。RISC和CISC是設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時間和運(yùn)行時間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有：(1)指令系統(tǒng)：RISC設(shè)計(jì)者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡單高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。(2)存儲器操作：RISC對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC機(jī)器的存儲器操作指令多，操作直接。(3)程序：RISC匯編語言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì)；而CISC匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序社設(shè)計(jì)相對容易，效率較高。(4)中斷：RISC機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CIS C機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。(5)CPU：RISCCPU包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISCCPU包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。(6)設(shè)計(jì)周期：RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長。(7)用戶使用：RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。(8)應(yīng)用范圍：由于RISC指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC機(jī)器更適合于專用機(jī)；而CISC機(jī)器則更適合于通用機(jī)。從CISC到RISC CISC指令系統(tǒng)存在的問題：20%與80%規(guī)律CISC中，大約20%的指令占據(jù)了80%的處理機(jī)時間。其余80%指令：使用頻度只占20%的處理機(jī)運(yùn)行時間VLSI技術(shù)的發(fā)展引起的問題VLSI工藝要求規(guī)整性，RISC正好適應(yīng)了VLSI工藝的要求主存與