精简与复杂谁更强——深入了解计算机的核心体系 CHO 2000年 第3期 　　CPU（Central Processor Unit，中央处理器）是计算机的核心，个人电脑的中央处理器从Intel的4004发展到现在的PentiumⅢ，除了性能上的飞跃、架构的改变，CPU的核心体系也发生了根本的改变。这些改变实际并不只是影响个人电脑的处理器，也对整个处理器技术的发展都具有深远的影响。 #1 一、CISC体系 　　CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）是一种为了便于编程和提高内存访问效率的芯片设计体系。早期的计算机使用汇编语言编程，由于内存速度慢且价格昂贵，使得CISC体系得到了用武之地。在20世纪90年代中期之前，大多数的微处理器都采用CISC体系——包括Intel的80x86和Motorola的68K系列等。 　　1．CISC体系的指令特征 　　使用微代码。指令集可以直接在微代码内存（比主内存的速度快很多）里执行，新设计的处理器，只需增加较少的晶体管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。 　　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。包括双操作数格式、寄存器到寄存器、寄存器到内存以及内存到寄存器的指令。 　　2．CISC体系的优缺点 　　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，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。 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 二、RISC体系 　　RISC（Reduced Instruction Set Computers，精简指令集计算机）是为了提高处理器运行的速度而设计的芯片体系。它的关键技术在于流水线操作（Pipelining）：在一个时钟周期里完成多条指令。而超流水线以及超标量技术已普遍在芯片设计中使用。RISC体系多用于非x86阵营高性能微处理器CPU，厂商包括主要APPLE、SGI/MIPS、IBM、SUN、Compaq/Digital（DEC）、Motorola等。这些厂商设计的处理器在某种程度上，代表了RISC CPU的发展趋势。 　　1．RISC体系的指令特征 　　精简指令集。包含了简单、基本的指令，透过这些简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令。 　　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。 　　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．RISC体系的优缺点 　　优点。在使用相同的晶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。 　　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内存，这通常都集成于处理器内部，就是L1 Cache（一级缓存）。 #1 三、CISC VS RISC 　　长期以来，由于英特尔的x86处理器可以执行1到87个字节长度的指令，人们都认为x86处理器是典型的CISC处理器。不过为了对付RISC天生以来所具备的优秀特性，Intel也感到了一定的压力。为了克服x86的缺点，英特尔（^03030101b^）在20世纪90年代中后期设计的x86处理器中开始使用了RISC技术，如内置一级缓存（486开始具备）和容量更大的二级缓存（高能奔腾开始具备）来克服主内存速度的瓶颈问题；使用超标量（奔腾开始具备两条流水线）、超流水线（高能奔腾开始具备）以增强指令的执行效率。从高能奔腾（奔腾Ⅱ的前身）起使用寄存器重命名以降低伪相关的困扰，采用重排序缓冲器（ROB）以及保留栈（存放着已经译码完毕的指令）来实现乱序执行；使用分支预测降低由于流水线空闲所带来的性能损失。而英特尔的主要对手AMD（^03030101a^）也采用了类似但更加先进的技术。如今，新的x86处理器都已经在译码的阶段把复杂的CISC指令转换（拆解）为更易执行的RISC指令，然后才交由执行部件执行。但即使x86阵营使尽法宝，RISC体系却依然是目前最快的系统架构。这也就是采用RISC体系的非x86处理器仍具备超凡的运算速度的秘密。 　　对于CISC和RISC体系到底谁更好，长期以来都是业界争论较多的话题，支持RISC体系的厂商认为它廉价和运行速度快，因此代表未来微处理器的发展特征。反对者则认为，虽然RISC体系的硬件产品制造变得简单，但软件的开发会变得更复杂，即使执行相同的任务也必须编写更多的程序来完成，因此它并不能代表未来的方向。如果我们注意到PC的相关市场，可以看到尽管RISC体系的历史已经有10年，但一直没能将CISC体系踢出局，市场上的个人电脑、工作站和服务器大概有75％的仍基于CISC体系的结构。这也并不是说RISC真的不好，实际RISC和CISC体系的结构越来越接近，许多今天的RISC芯片仍然支持更多过去的CISC芯片，今天CISC芯片也运用了很多与RISC体系相关的技术，可以说，RISC和CISC是在共同发展的。 　　在CISC体系中，Intel和AMD无疑都是拥趸，x86作为PC体系的标准架构，Windows95和Windows98是无法使用在其他平台上的，因此像Intel和 AMD这样的公司不可能全面放弃x86市场而转向RISC体系的。不过在保持CISC体系的x86标准兼容性的基础上，仍然有机会改变体系结构，但要全面使用RISC结构还是比较困难的。事实上，Intel和AMD都或多或少在它们的CPU产品中，采用RISC处理器的先进加速结构，使x86处理器的设计做得更好。比如现在AMD的Athlon处理器采用的Alpha EV6总线架构，就是根据基于RISC结构的Alpha的优势开发的技术，使其系统总线不同于Intel的GTL＋总线，而在整体性能上有较大的提升。 #1 四、EPIC体系与x86处理器的发展 　　EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computers，精确并行指令计算机）是否是RISC和CISC体系的继承者的争论已经有很多，单以EPIC体系来说，它更像Intel的处理器迈向RISC体系的重要步骤。从理论上说，EPIC体系设计的CPU，在相同的主机配置下，处理Windows的应用软件比基于Unix下的应用软件要好得多。 　　今年Intel将发布采用EPIC技术的CPU——Itanium（开发代号即Merced）。它是64位处理器，也是IA－64系列中的第一款。微软也已开发了代号为Win64的操作系统，在软件上加以支持。作为2000年Intel在业界发布的重头产品，如果它能够获得成功，无疑为建立新的EPIC体系迈出了意义重大的一步。业界许多厂商甚至是RISC阵营的大厂商也都在关注Merced的发布，原因是x86处理器存在的巨大市场，CISC体系仍可能拥有较长的生存期，而RISC体系则不一定。如果这样的话，未来可能是EPIC体系的处理器甚至CISC处理器的天下，新的体系或许有机会拓展更广阔的处理器设计研发领域。Intel的强劲对手AMD公司方面，它的第8代微处理器中即K8将采用“闪电数据传输”技术。这枚代号为“Sledge Hammer”的处理器支持64位x86体系架构，同时向后兼容32位x86微处理器产品，包括应用软件和操作系统。据AMD声称，其他任何64位技术都不能同时支持32位和64位x86技术。在实际体系结构上，EPIC跟“Sledge Hammer”似乎无缘。 #1 结语 　　CISC和RISC体系之间的差异已越来越小，基于两种体系的处理器的运算速度也越来越快，两种体系的厂商阵营都在展开着速度与性能的竞赛。未来的发展依然无法确定谁能取得最后的胜利，但结合CISC和RISC体系优势的EPIC体系或许会成为CPU核心设计的趋势。（^03030101c^）