4.4.1 复杂指令系统计算机(CISC)#

随着集成电路技术的发展，软件开发成本不断上升，促使设计者在指令系统中加入更多、更复杂的指令，以适应多样化的应用需求，从而形成了CISC架构。

CISC的主要特点如下：

1. 指令系统庞大复杂，指令数量通常超过200条。
2. 指令长度不固定，指令格式和寻址方式种类繁多。
3. 多数指令均可直接访问内存。
4. 各类指令的使用频率差异显著。
5. 指令执行时间相差较大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。
6. 控制器多采用微程序控制，部分复杂指令难以用硬连线逻辑实现。
7. 难以通过优化编译生成高效的目标代码。

如此庞大的指令系统，对设计提出了极高要求，导致研制周期变得很长。后续研究发现，一味追求指令系统的复杂和完备程度并非提升性能的有效途径。对传统CISC指令系统的统计分析表明：各种指令的使用频率相差悬殊，约80%的程序执行仅依赖于20%的简单指令，而其余80%的复杂指令使用频率极低。基于这一观察，设计者开始尝试仅保留高频使用的简单指令，并通过它们组合实现不常用的复杂指令功能，由此催生了RISC架构。

4.4.2 精简指令系统计算机(RISC)#

RISC的核心思想是简化指令系统，强调“寄存器-寄存器”操作，并力求指令格式统一。

RISC的主要特点如下：

1. 仅选取使用频率最高的简单指令，复杂功能由多条简单指令组合实现。
2. 指令长度固定，指令格式和寻址方式种类较少。
3. 仅LOAD/STORE (取数/存数)指令可访问内存，其余运算均在寄存器之间进行。
4. CPU中配备大量通用寄存器。
5. 普遍采用指令流水线技术，绝大多数指令在一个时钟周期内完成。
6. 以硬布线控制为主，极少或完全不使用微程序控制。
7. 高度依赖编译器优化，以缩短程序执行时间。

此外，在指令系统兼容性方面，CISC架构通常支持向后兼容，即新机型包含旧机型的全部指令并加以扩展。而RISC由于大幅简化指令集、改变指令格式，通常无法与老机型兼容。

历史上，RISC因其高效性和简洁性曾被视为未来处理器的发展方向。然而在现实中，x86架构凭借庞大的软件生态占据主流地位，早期大量软件均基于CISC设计，纯RISC系统难以满足兼容性需求。此外，现代CISC处理器已在内部融合了大量RISC思想，使得两者在性能上的差距日益缩小。与此同时，CISC能提供更丰富的指令功能，这是很多程序设计所需要的。

4.4.3 CISC和RISC的比较#

与CISC相比，RISC的优势主要体现在以下几个方面：

1. 更高效利用芯片面积。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采用硬布线控制，逻辑电路仅占约10%，节省了宝贵的硅片资源。
2. 更高的运算速度。RISC指令数量少、格式统一、寻址方式简单，配合大量通用寄存器和流水线技术，使大多数指令可在单周期内完成，显著提升执行效率。
3. 更易设计与维护。RISC指令系统结构简单，设计周期短；其逻辑清晰，出错概率低，且便于调试和验证，从而提高了系统可靠性。
4. 更利于编译优化。由于指令类型和寻址方式有限，编译器更容易选择最优指令序列、调整指令调度，生成高效的目标代码。

CISC与RISC的对比如表4.3所示。

表4.3 CISC与RISC的对比