CPU指令集科普：CISC指令集和RISC指令集

参考资料：
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RISC-V能否“重构”芯片产业格局
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ARM 处理器：RISC与CISC 是什么？

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0. 基础知识

0.1 什么是指令集

所谓指令集，是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。指令的强弱是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

指令集是一个比较模糊和虚化的概念，我们的看到的指令集是一个指令列表，几百种CPU指令命令，而CPU看到的指令集则是一连串的“01010101”电信号，每种电信号代表一种运算命令。而CPU的设计当中，就必须固化好各种指令对应的芯片电路模块。

CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。与其他硬件电路相配合，决定的是这一款CPU的生态系统。因此，指令集搭建的是一个桥梁，是软硬件之间沟通的桥梁，简单来说，软件通过指令集和硬件讲话。因此，指令集对形成生态至关重要，从这个意义上讲，不同的CPU指令集，决定了这款CPU设计的复杂程度。

从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集(CISC, complex instruction set computer)和精简指令集(RISC, reduced instruction set computer)两部分。简单来讲，RISC功能简洁，代表着简洁的CPU设计，CISC功能完备，代表着复杂的CPU设计。RISC的简洁代表着效率，CISC的功能完备代表着臃肿。这里引用步日欣老师文章中的一段话：

CPU的指令，就如同盖房子的砖，如果都是小块的标准砖头，也能盖起各种不同的房子，这就是RISC；如果除了标准砖头，还设计了很多的砖瓦结构件，适用于拐角、吊梁等，这就是CISC。不同的模式，都能盖起房子，但是效率却大不一样，RISC的标准砖头，小平房可以盖，摩天大楼也可以盖，底层的原材料很简单，都是标准化的砖头；CISC的各种复杂的结构件，对于盖一种房子的时候效率确实高，吊起结构件随便一拼装就ok，但是如果要盖的房子种类多了，就需要定义更多更复杂的结构件，结构件的管理就会越来越复杂，而且在建设某种常见建筑的时候，大部分特殊的结构架是闲置不用的，大大影响了施工效率。
基于CISC模式下的CPU设计，在各种新需求下，堆叠的功能越来越复杂，芯片设计难度也越来越高，效率低下，因此就出现了RISC精简指令集的概念。

• 注：指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture）也可简单地理解为指令集。

0.2 RISC指令集的由来

一开始的处理器都是CISC架构，随着时间演进，有越来越多的指令集加入。由于当时编译器的技术并不成熟，程序都会直接以机器码或是汇编语言写成，为了减少程序设计师的设计时间，逐渐开发出单一指令，复杂操作的程序码，设计师只需写下简单的指令，再交由CPU去执行。但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，约占整个程序的80％；剩余80％的指令，只占整个程序的20％。于是1979年美国加州大学伯克莱分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

这里也提供一个小小的概念，CISC是在RISC出现之后才出现的相对名词，并不是从一开始就有CISC、RISC这两种处理器架构。

1. CISC复杂指令集

1.1 CISC体系的指令特征

1. 使用微代码。指令集可以直接在微代码存储器（比主存储器的速度快很多）里执行，新设计的处理器，只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程序。

2. 庞大的指令集。可以减少编程所需要的代码行数，减轻程序员的负担。高级语言对应的指令集：包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存储器以及存储器到寄存器的指令。

1.2 CISC体系的优缺点

1. 优点：能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计师实现 CISC 体系机器的向上兼容。新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合，也就可以使用较早电脑上使用的相同软件。另外微程序指令的格式与高级语言相匹配，因而编译器并不一定要重新编写。

2. 缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。

1.3 CISC复杂指令集阵营

Intel的X86。

2. RISC精简指令集

2.1 RISC体系的指令特征

1. 精简指令集：包含了简单、基本的指令，通过这些简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令。

2. 同样长度的指令：每条指令的长度都是相同的，可以在一个单独操作里完成。

3. 单机器周期指令：大多数的指令都可以在一个机器周期里完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。

2.2 RISC体系的优缺点

1. 优点：在使用相同的芯片技术和相同运行时钟下，RISC 系统的运行速度将是 CISC 的2～4倍。由于RISC处理器的指令集是精简的，它的内存管理单元、浮点单元等都能设计在同一块芯片上。RISC 处理器比相对应的 CISC 处理器设计更简单，所需要的时间将变得更短，并可以比CISC处理器应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。

2. 缺点：多指令的操作使得程序开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快的存储器，这通常都集成于处理器内部，就是L1 Cache（一级缓存）。

2.3 RISC精简指令集阵营

ARM、RISC-V、MIPS。

3. 对比CISC和RISC

1. 指令的形成：CISC 因指令复杂，故采用微指令码控制单元的设计，而RISC的指令90%是由硬件直接完成，只有10%的指令是由软件以组合的方式完成，因此指令执行时间上RISC较短，但RISC所须ROM空间相对的比较大，至于RAM使用大小应该与程序的应用比较有关系。

2. 寻址模式：CISC的需要较多的寻址模式，而RISC只有少数的寻址模式，因此CPU在计算存储器有效位址时，CISC占用的汇流排周期较多。

3. 指令的执行：CISC指令的格式长短不一，执行时的周期次数也不统一，而RISC结构刚好相反，故适合采用流水线处理架构的设计，进而可以达到平均一周期完成一指令的方向努力。显然的，在设计上RISC较CISC简单，同时因为CISC的执行步骤过多，闲置的单元电路等待时间增长，不利于平行处理的设计，所以就效能而言RISC较CISC还是占了上风，但RISC因指令精简化后造成应用程式码变大，需要较大的存储器空间，且存在指令种类较多等等的缺点。