复杂指令集CISC和简单指令集RISC以及ARM和X86的区别
我们要明白CPU是一个执行部件,它之所以能执行,也是因为人们在里面制作了执行各种功能的硬件电路,然后再用一定的逻辑让它按照一定的顺序工作,这样就能完成人们给它的任务。也就是说,如果把CPU看作一个人,首先它要有正常的工作能力(既执行能力),然后又有足够的逻辑能力(能明白做事的顺序),最后还要听的懂别人的话(既指令集),才能正常工作。而这些集中在一起就构成了所谓的“架构”,它可以理解为一套“工具”、“方法”和“规范”的集合。不同的架构之间,工具可能不同,方法可能不同,规范也可能不同,这也造成了它们之间的不兼容——你给一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪指南,他当然不知道应该干什么了。
如果还看不懂,没关系,我们继续。从CPU发明到现在,有非常多种架构,从我们熟悉的X86,ARM,到不太熟悉的MIPS,IA64,它们之间的差距都非常大。但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话,它们可以被分为两大类,即所谓的“复杂指令集”与“精简指令集”系统,也就是经常看到的“CISC”与“RISC”。属于这两种类中的各种架构之间最大的区别,在于它们的设计者考虑问题方式的不同。我们可以继续举个例子,比如说我们要命令一个人吃饭,那么我们应该怎么命令呢?我们可以直接对他下达“吃饭”的命令,也可以命令他“先拿勺子,然后舀起一勺饭,然后张嘴,然后送到嘴里,最后咽下去”。从这里可以看到,对于命令别人做事这样一件事情,不同的人有不同的理解,有人认为,如果我首先给接受命令的人以足够的训练,让他掌握各种复杂技能(即在硬件中实现对应的复杂功能),那么以后就可以用非常简单的命令让他去做很复杂的事情——比如只要说一句“吃饭”,他就会吃饭。但是也有人认为这样会让事情变的太复杂,毕竟接受命令的人要做的事情很复杂,如果你这时候想让他吃菜怎么办?难道继续训练他吃菜的方法?我们为什么不可以把事情分为许多非常基本的步骤,这样只需要接受命令的人懂得很少的基本技能,就可以完成同样的工作,无非是下达命令的人稍微累一点——比如现在我要他吃菜,只需要把刚刚吃饭命令里的“舀起一勺饭”改成“舀起一勺菜”,问题就解决了,多么简单。
这就是“复杂指令集”和“精简指令集”的逻辑区别。可能有人说,明显是精简指令集好啊,但是我们不好去判断它们之间到底谁好谁坏,因为目前他们两种指令集都在蓬勃发展,而且都很成功——X86是复杂指令集(CISC)的代表,而ARM则是精简指令集(RISC)的代表,甚至ARM的名字就直接表明了它的技术:Advanced RISC Machine——高级RISC机。
到了这里你就应该明白为什么RISC和CISC之间不好直接比较性能了,因为它们之间的设计思路差异太大。这样的思路导致了CISC和RISC分道扬镳——前者更加专注于高性能但同时高功耗的实现,而后者则专注于小尺寸低功耗领域。实际上也有很多事情CISC更加合适,而另外一些事情则是RISC更加合适,比如在执行高密度的运算任务的时候CISC就更具备优势,而在执行简单重复劳动的时候RISC就能占到上风,比如假设我们是在举办吃饭大赛,那么CISC只需要不停的喊“吃饭吃饭吃饭”就行了,而RISC则要一遍一遍重复吃饭流程,负责喊话的人如果嘴巴不够快(即内存带宽不够大),那么RISC就很难吃的过CISC。但是如果我们只是要两个人把饭舀出来,那么CISC就麻烦得多,因为CISC里没有这么简单的舀饭动作,而RISC就只需要不停喊“舀饭舀饭舀饭”就OK。
这就是CISC和RISC之间的区别。但是在实际情况中问题要比这复杂许许多多,因为各个阵营的设计者都想要提升自家架构的性能。这里面最普遍的就是所谓的“发射”概念。什么叫发射?发射就是同时可以执行多少指令的意思,例如双发射就意味着CPU可以同时拾取两条指令,三发射则自然就是三条了。现代高级处理器已经很少有单发射的实现,例如Cortex A8和A9都是双发射的RISC,而Cortex A15则是三发射。ATOM是双发射CISC,Core系列甚至做到了四发射——这个方面大家倒是不相上下,但是不要忘了CISC的指令更加复杂,也就意味着指令更加强大,还是吃饭的例子,CISC只需要1个指令,而RISC需要5个,那么在内存带宽相同的情况下,CISC能达到的性能是要超过RISC的(就吃饭而言是5倍),而实际中CISC的Core i处理器内存带宽已经超过了100GB/s,而ARM还在为10GB/s而苦苦奋斗,一个更加吃带宽的架构,带宽却只有别人的十分之一,性能自然会受到非常大的制约。为什么说ARM和X86不好比,这也是很重要的一个原因,因为不同的应用对带宽需求是不同的。一旦遇到带宽瓶颈,哪怕ARM处理器已经达到了很高的运算性能,实际上根本发挥不出来,自然也就会落败了。
说到这儿大家应该也已经明白CISC和RISC的区别和特色了。简而言之,CISC实际上是以增加处理器本身复杂度作为代价,去换取更高的性能,而RISC则是将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令带宽,换取了简单和低功耗的硬件实现。但如果事情就这样发展下去,为了提升性能,CISC的处理器将越来越大,而RISC需要的内存带宽则会突破天际,这都是受到技术限制的。所以进十多年来,关于CISC和RISC的区分已经慢慢的在模糊,例如自P6体系(即Pentium Pro)以来,作为CISC代表的X86架构引入了微码概念,与此对应的,处理器内部也增加了所谓的
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