26考研——指令系统_CISC 和 RISC 的基本概念（4）

408答疑

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四、CISC 和 RISC 的基本概念

指令系统的发展呈现出两个主要方向：

1. 复杂指令系统计算机（CISC）：：

   • 增强原有指令的功能；
   • 设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化；
   • 典型架构：x86 架构的计算机。

2. 精简指令系统计算机（RISC）：

   • 减少指令种类和简化指令功能。
   • 提高指令的执行速度。
   • 典型架构：ARM、MIPS 架构的计算机。

复杂指令系统计算机（CISC）

随着集成电路技术的发展，软件成本不断上升，促使人们在指令系统中增加更多、更复杂的指令，以适应不同的应用领域，这样就构成了 CISC。

• CISC（复杂指令集计算机）的主要特点如下：
  1. 指令系统复杂庞大：指令数目一般为 200 条以上。
  2. 指令的长度不固定：指令格式多，寻址方式多。
  3. 可以访存的指令不受限制。
  4. 各种指令使用频度相差很大。
  5. 指令执行时间差异大：大多数指令需多个时钟周期才能完成。
  6. 控制器复杂：大多数采用微程序控制。有些指令非常复杂，以至于无法采用硬连线控制。
  7. 编译优化困难：难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

如此庞大的指令系统，对指令的设计提出了极高的要求，研制周期变得很长。后来人们发现，一味地追求指令系统的复杂和完备程度不是提高性能的唯一途径。

• 对传统 CISC 指令系统的测试表明，各种指令的使用频率相差悬殊，大概只有 20% 的简单指令被反复使用，约占整个程序的 80%；
• 而 80% 左右的复杂指令则很少使用，约占整个程序的 20%。

从这一事实出发，人们开始用最常用的 20% 的简单指令，重组实现不常用的 80% 的指令功能，RISC 随之诞生。

精简指令系统计算机（RISC）

RISC 的中心思想是要求指令系统简化，尽量使用 $寄存器-寄存器$ 操作指令，指令格式力求致。

• RISC（精简指令集计算机）的主要特点如下：
  1. 指令集简化：选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。
  2. 指令长度固定：指令格式种类少，寻址方式种类少。
  3. 简化指令操作：只有 LOAD/STORE（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
  4. 寄存器数量多：CPU 中通用寄存器的数量相当多。
  5. 指令执行快速：一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
  6. 控制方式简化：以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。
  7. 编译优化：特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。

值得注意的是，从指令系统兼容性看，CISC 大多能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令，并可加以扩充。但 RISC 简化了指令系统，指令条数少，格式也不同于老机器，因此大多数 RISC 机不能与老机器兼容。RISC 具有更强的实用性，因此应该是未来处理器的发展方向。但事实上，当今时代 Intel 几乎一统江湖，且早期很多软件都是根据 CISC 设计的，单纯的 RISC 将无法兼容。此外，现代 CISC 结构的 CPU 已经融合了很多 RISC 的成分，其性能差距己经越来越小。CISC 可以提供更多的功能，这是程序设计所需要的。

CISC 和 RISC 的比较

RISC（精简指令集计算机）与 CISC（复杂指令集计算机）相比，具有以下优点：

1. 芯片面积利用：RISC 更能充分利用 VLSI（超大规模集成电路）芯片的面积。CISC 采用微程序控制，其控制存储器占 CPU 芯片面积的 50%以上，而 RISC 采用组合逻辑控制，其硬布线逻辑只占 CPU 芯片面积的 10%左右。

2. 运算速度：RISC 更能提高运算速度。RISC 的指令数、寻址方式和指令格式种类少，又设有多个通用寄存器，采用流水线技术，所以运算速度更快，大多数指令在一个时钟周期内完成。

3. 设计和可靠性：RISC 便于设计，可降低成本，提高可靠性。RISC 指令系统简单，因此机器设计周期短；其逻辑简单，出错概率低，有错也易发现，因此可靠性高。

4. 编译程序代码优化：RISC 有利于编译程序代码优化。RISC 指令类型少，寻址方式少，使编译程序容易选择更有效的指令和寻址方式，并适当地调整指令顺序，使得代码执行更高效化。

对比项目	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于 200 条	一般小于 100 条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有 LOAD/STORE 指令
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度	相差很大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	多
目标代码	难以用优化编译生成高效目标代码程序	采用优化的编译程序，生成代码较为高效
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现

五、参考资料

鲍鱼科技课件

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