發(fā)展背景編輯

CISC早期的計算機部件比較昂貴，主頻低，運算速度慢。為了提高運算速度，人們不得不將越來越多的復雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計算機的處理效率，這就逐步形成復雜指令集計算機體系。為了在有限的指令長度內(nèi)實現(xiàn)更多的指令，人們又設計了操作碼擴展。然后，為了達到操作碼擴展的先決條件——減少地址碼，設計師又發(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，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)量達到最小化。此外CISC可以簡化編譯器結(jié)構，它在處理器指令集中包含了類似于程序設計語言結(jié)構的復雜指令，這些復雜指令減少了程序設計語言和機器語言之間的語義差別，而且簡化了編譯器的結(jié)構。

為了支持復雜指令集，CISC通常包括一個復雜的數(shù)據(jù)通路和一個微程序控制 CISC器。微程序控制器由一個微程序存儲器、一個微程序計數(shù)器（MicroPC）和地址選擇邏輯構成。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)它來確定微程序存儲器中相應的控制字順序起始地址。當把該起始地址放入MicroPC中后，就從微程序內(nèi)存中找到相應的控制字，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一遍這一步驟。最終，當執(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，整個過程會重復進行。

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)構對于高效處理器而言不太合適的。

發(fā)展歷程編輯

在計算機指令系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展過程中，出現(xiàn)過兩個截然不同的優(yōu)化方向：CISC技術和RISC技術。CISC是指復雜指令系統(tǒng)計算機(Complex Instruction Set Computer)；RISC是指精簡指令系統(tǒng)計算機(Reduced Instruction Set Computer)。這里的計算機指令系統(tǒng)指的是計算機的最低層的機器指令，也就是CPU能夠直接識別的指令。隨著計算機系統(tǒng)的復雜，要求計算機指令系統(tǒng)的構造能使計算機的整體性能更快更穩(wěn)定。最初，人們采用的優(yōu)化方法是通過設置一些功能復雜的指令，把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實現(xiàn)，以此來提高計算機的執(zhí)行速度，這種計算機系統(tǒng)就被稱為復雜指令系統(tǒng)計算機，即Complex Instruction Set Computer，簡稱CISC。另一種優(yōu)化方法是在20世紀80年代才發(fā)展起來的，其基本思想是盡量簡化計算機指令功能，只保留那些功能簡單、能在一個節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令，而把較復雜的功能用一段子程序來實現(xiàn)，這種計算機系統(tǒng)就被稱為精簡指令系統(tǒng)計算機．即Reduced Instruction Set Computer，簡稱RISC。RISC技術的精華就是通過簡化計算機指令功能，使指令的平均執(zhí)行周期減少，從而提高計算機的工作主頻，同時大量使用通用寄存器來提高子程序執(zhí)行的速度。

從計算機誕生以來，人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設計的，并一直沿用。桌面計算機流行的x86體系結(jié)構即使用CISC。微處理器（CPU）廠商一直在走CISC的發(fā)展道路，包括Intel、AMD，還有其他一些現(xiàn)在已經(jīng)更名的廠商，如TI（德州儀器）、Cyrix以及VIA（威盛）等。CISC架構的服務器主要以IA-32架構（IntelArchitecture,英特爾架構）為主，而且多數(shù)為中低檔服務器所采用。[2]

缺點編輯

采用復雜指令系統(tǒng)的計算機有著較強的處理高級語言的能力．這對提高計算機的性能是有益的．當計算機的設計沿著這條道路發(fā)展時．有些人沒有隨波逐流．他們回過頭去看一看過去走過的道路，開始懷疑這種傳統(tǒng)的做法：IBM公司設在紐約Yorktown的JhomasI.Wason研究中心于1975年組織力量研究指令系統(tǒng)的合理性問題．因為它當時已感到，日趨龐雜的指令系統(tǒng)不但不易實現(xiàn)．而且還可能降低系統(tǒng)性能。1979年以帕特遜教授為首的一批科學家也開始在美國加州大學伯克利分校開展這一研究．結(jié)果表明，CISC存在許多缺點． 首先．在這種計算機中．各種指令的使用率相差懸殊：一個典型程序的運算過程所使用的80%指令．只占一個處理器指令系統(tǒng)的20%．事實上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡單的指令．這樣-來，長期致力于復雜指令系統(tǒng)的設計，實際上是在設計一種難得在實踐中用得上的指令系統(tǒng)的處理器．

同時．復雜的指令系統(tǒng)必然帶來結(jié)構的復雜性．這不但增加了設計的時間與成本還容易造成設計失誤．此外．盡管VLSI技術現(xiàn)在已達到很高的水平，但也很難把CISC的全部硬件做在一個芯片上，這也妨礙單片計算機的發(fā)展．在CISC中，許多復雜指令需要極復雜的操作，這類指令多數(shù)是某種高級語言的直接翻版，因而通用性差．由于采用二級的微碼執(zhí)行方式，它也降低那些被頻繁調(diào)用的簡單指令系統(tǒng)的運行速度． 因而．針對CISC的這些弊?。撂剡d等人提出了精簡指令的設想即指令系統(tǒng)應當只包含那些使用頻率很高的少量指令．并提供一些必要的指令以支持操作系統(tǒng)和高級語言．按照這個原則發(fā)展而成的計算機被稱為精簡指令集計算機(ReducedInstructionSetComputer-RISC)．簡稱RISC．[3]

競爭對手RISC編輯

RISC是簡化指令集計算機的簡略縮寫，其風格是強調(diào)計算機結(jié)構的簡單性和高效性。RISC設計是從足夠的不可缺少的指令集開始的。它的速度比那些具有傳統(tǒng)復雜指令組計算機結(jié)構的機器快得多，而且RISC機由于其較簡潔的設計，較易使用，故具有更短的研制開發(fā)周期。RISC結(jié)構一般具有如下的一些特點：

①單周期的執(zhí)行: 它統(tǒng)一用單周期指令。從根本上克服了CISC指令周期數(shù)有長有短，造成運行中偶發(fā)性不確定，致使運行失常的問題。

②采用高效的流水線操作：使指令在流水線中并行地操作，從而提高處理數(shù)據(jù)和指令的速度。

③無微代碼的硬連線控制:微代碼的使用會增加復雜性和每條指令的執(zhí)行周期。

④指令格式的規(guī)格化和簡單化：為與流水線結(jié)構相適應且提高流水線的效率，指令的格式必須趨于簡單和固定的規(guī)式。比如指令采用16位或32位的固定的長度，并且指令中的操作碼字段、操作數(shù)字段都盡可能具有統(tǒng)一的格式。此外，盡量減少尋址方式，從而使硬件邏輯部件簡化且縮短譯碼時間，同時也提高了機器執(zhí)行效率和可靠性。

⑤采用面向寄存器堆的指令：RISC結(jié)構采用大量的寄存器—— 寄存器操作指令，使指令系統(tǒng)更為精簡?？刂撇考鼮楹喕?，指令執(zhí)行速度大大提高。由于VLSI技術的迅速發(fā)展，使得在一個芯片上做大量的寄存器成為可能。這也促成了RISC結(jié)構的實現(xiàn)。

⑥采用裝入/存儲指令結(jié)構：在CISC結(jié)構中。大量設置存儲器—— 存儲器操作指令，頻繁地訪問內(nèi)存，將會使執(zhí)行速度降低。RISC結(jié)構的指令系統(tǒng)中，只有裝入/存儲指令可以訪問內(nèi)存，而其它指令均在寄存器之間對數(shù)據(jù)進行處理。用裝入指令從內(nèi)存中將數(shù)據(jù)取出，送到寄存器；在寄存器之間對數(shù)據(jù)進行快速處理，并將它暫存在那里，以便再有需要時。不必再次訪問內(nèi)存。在適當?shù)臅r候，使用一條存儲指令再將這個數(shù)據(jù)送回內(nèi)存。采用這種方法可以提高指令執(zhí)行的速度