2019年12月04日 | ARM（RISC）和x86（CISC）的技术差异

RISC和CISC，这一对冤家，从诞生之日开始就处在不停的纠缠之中。直到今天，两者经过多年的发展后，都在各自领域打开了一片天地，并且相互渗透。RISC专注高性能、高性能功耗比、小体积以及移动设备领域，CISC专注桌面、高性能和民用市场。现在，RISC的代表是ARM，而CISC的代表则是我们耳熟能详的x86。那么，他们的技术差异在哪里？究竟是怎样的技术分歧带来了两者如此大的差别呢？

指令集的出现

要说清楚RISC和CISC，也就是今天热门的ARM和x86之间的差异，还得把时间往前推一些，观察计算机诞生之初的一些事情，才能很清楚地了解指令集、精简和复杂之间的关系。

今天学生学习计算机实在是太幸福了！今天有大量的可视化的操作方式，有成熟的各种接近自然语言的编程语言，在这些语言中还有很多写好的库用于完成那些固定而复杂的任务。这种“幸福”的计算机的学习和使用过程，你完全不应该觉得困难——请注意，如果和上个世纪七十年代的计算机使用者比起来，真的好太多了。

老式的计算机，使用纸带进行输入输出，效率极其低下。

上世纪70年代末期，计算机的出现虽然带来了各种方便，但也带来了各种不方便。首先就是编程。当时没有类似今天这样的高级的、接近自然语言的、各种逻辑都非常完善的编程语言，而是采用最底层的机器语言来写命令。

机器语言和后来的汇编语言，在使用中都显得很麻烦，可读性差，并且很难维护。此外，还有最重要的一点是，这些语言都比较“笨”，如果要计算一些稍微复杂的操作比如乘法、除法、三角函数、微积分、方程等，每次计算都需要重新编写程序（在纸带上打孔输入数据的时代，是没有“粘贴+复制”的方便功能的）。

于是人们想了一个方法，对一些比较常用的指令，比如积分、微分、乘除法等，干脆写一套标准的程序，留下输入数据的接口。这样就能够大幅度地降低编程中的难度，提高编程效率并增加其易用性。这个想法一提出，就得到了很多业内人士的认可，大家给这种想法取了一个名字，叫做“指令集”。

指令集中包含了大量的基础运算的内容，并且以公式化和模块化的方式供人们使用。对软件来说，指令集的出现无疑大幅度提高了程序编写的效率。同时由于模块化指令的存在，软件的运行效率也得到了提升。对硬件来说，专用模块的效率永远高于通用模块，因此指令集的出现也为CPU硬件性能的提升开启了一扇新的大门。

复杂的还是精简的？

指令集诞生后，CPU厂商都开始整理、规范这些指令集，其中就包括英特尔。英特尔在它最为成功的一款处理器8086中，开始加入大量指令集，以提高计算效率、增强CPU性能。与此同时，另外一种思想在悄悄萌芽。

英特尔为了兼容8086处理器，不得不一直采用x86 CISC指令集。

业界有一个著名的“8020定理”，可以应用在很多方面：比如一家公司80%的人都会是普通职员，20%的人才可能成为领导者；这些领导者每天做的事情80%是不紧急或者不重要的、20%才是最紧急最重要的内容等等。“8020定理”概括了社会发展的大部分内容，虽然不那么精确，但足以说明大部分内容往往没有什么效率，最值得关心的往往是那20%的核心部分—比如下面这一段：

CPU的指令集是各种功能的集合。指令集诞生的原因是人们渴望在软件编写时更有效率，同时也符合事物发展中规范化、模块化的需求。但是，在所有指令集中，经过人们分析和统计，只有20%的指令集会在80%的场合都用到，而绝大部分80%的指令集只有20%的场合需要出现。

RISC处理器的效率很高，一般来说能耗比很出色，但是指令比较复杂，特别是程序体积较大。图为IBM的Power 7处理器的接口，是经典的高性能RISC处理器。

这里的意思就很明确了。如果一个CPU支持所有的指令集，那么其中20%的部分会被经常调用，而80%的部分经常闲置无所事事，至少在80%的时间中都是如此。在CPU晶体管“寸土寸金”的年代，这样的做法是对晶体管的严重浪费。在这种情况下，曾任斯坦福大学校长、美国科学院、工程学院和文理学院三院院士的约翰·亨尼西教授和加州大学伯克利分校的计算机教授戴维·帕特森等人，就提出了一种更为简单的指令集，叫做精简指令集，全称是Reduced Instruction Set Computing，简写为RISC。而传统的大而全的指令集也被赋予了一个正式的名字，叫做Complex Instruction Set Computing，也就是CISC。

RISC的优势在于将指令数目和寻址方式都做出了改进，大幅度降低了设计难度，编译器的效率更高并且指令的并行执行程度更高。同时RISC制造的CPU体积更小、能耗更低、性能功耗比更高。但是RISC并不是没有缺点，比如RISC的CPU对20%的常用指令集的计算效率更高，而对一些不常用或者复杂的指令，则以几个常用指令组合的方式来完成，计算效率就明显下降。对软件来说，RISC的程序体积相对CISC会大一些，复杂度稍高。并且由于指令集精简，早期的RISC处理器的性能显然不如同期的CISC，虽然它更小、功耗更低。

今天的CPU：x86和ARM

虽然从原理来看，RISC和CISC可谓井水不犯河水。但RISC和CISC在发展过程中，彼此反而取长补短，各有所得。

对CISC来说，指令集本身随着计算要求不断发展，肯定会越来越多。CISC继续发展下去，其实际CPU产品的晶体管数量会难以抑制地上升，性能功耗比和成本表现很难让人满意。从设计角度来看，CISC指令集长度不固定、执行时间也不固定、设计困难很多，很难找出一条高效率的通用设计道路来完成指令的执行。此外，由于CISC处理器和存储器之间的速度差距，缓存变得越来越重要。这也意味着CPU本身需要更为精简高效，节省的空间需要用于容纳越来越重要的各级缓存。

为了解决这些问题，现代的CISC处理器开始认真学习RISC的思想。CISC的问题在于指令集复杂多变，为每一个指令制定专门的硬件优化显然不可能。那么，可不可以换一个思路呢？将那些最常使用的指令集挑选出来，然后为其进行专门优化，就可以大大提高效率；至于不常用的指令，则可以用几个基础指令组合的方式完成——这正是RISC的思想。有所不同的是，RISC让思想完成在指令层面，而CISC将这个思想实现在硬件层面。

英特尔的Nehalem处理器可谓借鉴RISC思想而设计的x86。

以英特尔的Nehalem或者AMD的K10处理器为例。首先，这些x86处理器内部都会使用“微指令”。所谓微指令，就是一些基础的指令，CISC指令中大部分都可以被拆分为几条简单而固定的微指令。其次，CPU内部设计了“翻译单元”，一般是由解码单元来执行的。在运行中，CPU接受一条x86指令，然后解码单元将接收到的比较复杂的X86指令拆解为一个或几个微指令。比如Nehalem设计了3个简单的解码单元和1个复杂的解码单元，可以将x86指令解码拆分、“翻译”为1～4条微指令。

第三，CPU内部针对这些微指令会做出充足的优化，让其执行效率和速度都达到令人满意的程度。当然，在解码处理的过程中，不是所有的x86指令都会得到平均对待。那些最常用的指令比如mov、push、call、cmp、add等会被重点、优先、加速处理，不常用的指令要么被拆分为常用指令，要么进入普通循环进行处理。效率虽然有影响，但考虑到其使用几率很低，因此这样的设计完全可以接受。在微指令解码和处理过程中，如何更有效率、更为高效地执行x86命令；微指令应该如何表达、运行；微指令和x86指令的关系以及哪些微指令是最常用、最优先的指令，成为最影响CPU性能的核心内容。

未来的ARM Cortex A-50是高性能处理器的代表产品。

在采用了RISC思想、对x86处理器的设计进行革新后，如今的CISC处理器基本上可以解决CISC指令复杂、体积庞大，晶体管耗费多等问题。对厂商来说，一个设计优秀的x86处理器的解码和流水线核心可以维持数代发展而不落伍。厂商可以在发展过程中不断对已经设计好的核心进行调整和调配，在缓存、总线配置上进行更改以获取更好的性能。

CISC借鉴RISC的思想，让自己获得了新生。相对来说，RISC对CISC也有借鉴，但不算太多。RISC指令简单并且相对固定，处理快速，在设计上甚至可以使用更长的流水线来达到高频率，并最终获得更优秀的效能。但RISC的主要问题在于指令集简单，因此在处理一些比较复杂的应用时，存储器需要读入的指令总数耗费时间更多，部分场合下性能表现不理想也是RISC的硬伤。因此，在RISC的发展中，RISC也在逐渐注入CISC的思想。比如紧跟时代加入一些新的指令集，更进一步优化内部架构，运行周期变成不固定周期等。RISC发展到现在，指令也逐渐增多，浮点计算等重要性能也日益强大。以ARM为例，不但逐渐增强浮点计算性能、新增专门的浮点指令，还计划在现有的基础上开展高性能ARM处理器的发展，以增强未来应对市场变化特别是对x86处理器竞争的能力。

未来的处理器，功耗更低，效能更高

从目前CPU的发展来看，无论是ARM还是x86，无论是CISC还是RISC，除了努力巩固自己的性能优势，加强产品的性能外，还积极吸取对方产品的特色，取长补短，期望有所突破。不过无论如何，未来的CPU肯定在朝着高性能、低功耗的方向发展。目前移动计算大潮已经来临，竞争日趋激烈。但说到底就是性能功耗比的竞争，谁能在低功耗下提供高性能，谁就有希望获得成功。未来的处理器，功耗将更低，效能会更高。