深刻淺出計算機組成原理學習筆記：第二十九講

1、引子

我在第5講講計算機指令的時候，給你看過MIPS體系結構計算機的機器指令格式。MIPS的指令都是固定的32位長度，若是要用一個打孔卡來表示，並不複雜。

第6講的時候，我帶你編譯了一些簡單的C語言程序，看了x86體系結構下的彙編代碼。眼尖的話，你應該能發現，每一條機器碼的長度是不同的。

而CPU的指令集裏的機器碼是固定長度仍是可變長度，也就是 複雜指令集（Complex Instruction SetComputing，簡稱CISC）和 精簡指令集（Reduced Instruction Set Computing，簡稱RISC）這兩種風格的指令集一個最重要的差異。那今天咱們就來看複雜指令集和精簡指令集之間的對比、差別以及歷史糾葛。

2、CISC VS RISC：歷史的車輪不老是向前的

一、人月神話

在計算機歷史的早期，其實沒有什麼CISC和RISC之分。或者說，全部的CPU其實都是CISC。

雖然馮·諾依曼高屋建瓴地提出了存儲程序型計算機的基礎架構，可是實際的計算機設計和製造仍是嚴格受硬件層面的限制。當時的計算機很慢，存儲空間也很小。
《人月神話》這本軟件工程界的名著，講的是花了好幾年設計IBM 360這臺計算機的經驗。IBM 360的最低配置，每秒只能運行34500條指令，只有8K的內
存。爲了讓計算機可以作儘可能多的工做，每個字節乃至每個比特都特別重要。

因此，CPU指令集的設計，須要仔細考慮硬件限制。爲了性能考慮，不少功能都直接經過硬件電路來完成。爲了少用內存，指令的長度也是可變的。
就像算法和數據結構裏的赫夫曼編碼（Huffman coding）同樣，經常使用的指令要短一些，不經常使用的指令能夠長一些。那個時候的計算機，想要用盡量少的內存空間，
存儲儘可能多的指令。

二、80%的時間都是在使用20%的簡單指令

不過，歷史的車輪滾滾向前，計算機的性能愈來愈好，存儲的空間也愈來愈大了。到了70年代末，RISC開始登上了歷史的舞臺。當時，UC Berkeley的大衛·帕特森（David Patterson）教授發現，
實際在CPU運行的程序裏，80%的時間都是在使用20%的簡單指令。因而，他就提出了RISC的理念。自此以後，RISC類型的CPU開始快速蓬勃發展。

我常常推薦的課後閱讀材料，有很多是來自《計算機組成與設計：硬件/軟件接口》和《計算機體系結構：量化研究方法》這兩本教科書。此外，他還在2017年得到了圖靈獎。

三、RISC架構的CPU到底是什麼樣的呢？

RISC架構的CPU的想法其實很是直觀。既然咱們80%的時間都在用20%的簡單指令，那咱們能不能只要那20%的簡單指令就行了呢？答案固然是能夠的。由於指令數量多，
計算機科學家們在軟硬件兩方面都受到了不少挑戰。

在硬件層面:

咱們要想支持更多的複雜指令，CPU裏面的電路就要更復雜，設計起來也就更困難。更復雜的電路，在散熱和功耗層面，也會帶來更大的挑戰。

在軟件層面:

支持更多的複雜指令，編譯器的優化就變得更困難。畢竟，面向2000個指令來優化編譯器和麪向500個指令來優化編譯器的困難是徹底不一樣的。

因而，在RISC架構裏面，CPU選擇把指令「精簡」到20%的簡單指令。而原先的複雜指令，則經過用簡單指令組合起來來實現，讓軟件來實現硬件的功能。這樣，CPU的整個硬件設計就會變得更簡單了，在硬件層面提高性能也會變得更容易了。

RISC的CPU裏完成指令的電路變得簡單了，因而也就騰出了更多的空間。這個空間，經常被拿來放通用寄存器。由於RISC完成一樣的功能，執行的指令數量要比CISC多，因此，
若是須要反覆從內存裏面讀取指令或者數據到寄存器裏來，那麼不少時間就會花在訪問內存上。因而，RISC架構的CPU每每就有更多的通用寄存器。

除了寄存器這樣的存儲空間，RISC的CPU也能夠把更多的晶體管，用來實現更好的分支預測等相關功能，進一步去提高CPU實際的執行效率。

總的來講，對於CISC和RISC的對比，咱們能夠一塊兒回到第4講講的程序運行時間的公式：

程序的CPU執行時間=指令數 × CPI × Clock Cycle Time

四、爲何它能在這麼短的時間內受到如此大的追捧？

CISC的架構，其實就是經過優化指令數，來減小CPU的執行時間。

而RISC的架構，實際上是在優化CPI。由於指令比較簡單，須要的時鐘週期就比較少。

由於RISC下降了CPU硬件的設計和開發難度，因此從80年代開始，大部分新的CPU都開始採用RISC架構。從IBM的PowerPC，到SUN的SPARC，都是RISC架構。
全部人看到仍然採用CISC架構的Intel CPU，均可以批評一句「Complex and messy」。可是，爲何不管是在PC上，仍是服務器上，仍然是Intel成爲最後的贏家呢？

3、Intel的進化：微指令架構的出現

面對這麼多負面評價的Intel，天然也不能無動於衷。更況且，x86架構的問題並不能說明Intel的工程師不夠厲害。事實上，在整個CPU設計的領域，Intel集中了大量優秀的人才。不管是成功的Pentium時代引入的超標量設計，仍是失敗的Pentium 4時代引入的超線程技術，都是異常精巧的工程實現。

一、指令集的向前兼容性

而x86架構所面臨的種種問題，其實都來自於一個最重要的考量，那就是指令集的向前兼容性。由於x86在商業上太成功了，因此市場上有大量的Intel CPU。
而圍繞着這些CPU，又有大量的操做系統、編譯器。這些系統軟件只支持x86的指令集，就好比著名的Windows 95。而在這些系統軟件上，又有各類各樣的應用軟件。

二、由於不兼容x86的指令集，遭遇了重大的失敗

若是Intel要放棄x86的架構和指令集，開發一個RISC架構的CPU，面臨的第一個問題就是全部這些軟件都是不兼容的。事實上，Intel並不是沒有嘗試過在x86以外另起爐竈，這其實就是我在第26講介紹的安騰處理器。當時，Intel想要在CPU進入64位的時代的時候，丟掉x86的歷史包袱，因此推出了全新的IA-64的架構。可是，卻由於不兼容x86的指令集，遭遇了重大的失敗。

三、AMD和Intel的64位有什麼不同

反而是AMD，趁着Intel研發安騰的時候，推出了兼容32位x86指令集的64位架構，也就是AMD64。若是你如今在Linux下安裝各類軟件包，必定常常會看到像下面這樣帶有AMD64字樣的內容。這是由於x86下的64位的指令集x86-64，並非Intel發明的，而是AMD發明的。

Get:1 http://archive.ubuntu.com/ubuntu bionic/main amd64 fontconfig amd64 2.12.6-0ubuntu2 [169 kB]

花開兩朵，各表一枝。Intel在開發安騰處理器的同時，也在不斷借鑑其餘RISC處理器的設計思想。既然核心問題是要始終向前兼容x86的指令集，那麼咱們能不能不修改指令集，可是讓CISC風格的指令集，用RISC的形式在CPU裏面運行呢？

四、Intel就開始在處理器裏引入了 微指令架構

因而，從Pentium Pro時代開始，Intel就開始在處理器裏引入了 微指令（Micro-Instructions/Micro-Ops） 架構。而微指令架構的引入，也讓CISC和RISC的分界變得模糊了。

 

在微指令架構的CPU裏面，編譯器編譯出來的機器碼和彙編代碼並無發生什麼變化。但在指令譯碼的階段，指令譯碼器「翻譯」出來的，再也不是某一條CPU指令。
譯碼器會把一條機器碼，「 翻譯」成好幾條「微指令」。這裏的一條條微指令，就再也不是CISC風格的了，而是變成了固定長度的RISC風格的了。

五、指令譯碼器變成了設計模式裏的一個「適配器」

這些RISC風格的微指令，會被放到一個微指令緩衝區裏面，而後再從緩衝區裏面，分發給到後面的超標量，而且是亂序執行的流水線架構裏面。
不過這個流水線架構裏面接受的，就不是複雜的指令，而是精簡的指令了。在這個架構裏，咱們的指令譯碼器至關於變成了設計模式裏的一個
「適配器」（Adaptor）。這個適配器，填平了CISC和RISC之間的指令差別。

六、CISC的指令譯碼成RISC指令的指令譯碼器存在的問題

不過，凡事有好處就有壞處。這樣一個可以把CISC的指令譯碼成RISC指令的指令譯碼器，比原來的指令譯碼器要複雜。這也就意味着更復雜的電路和更長的譯碼時間：
原本覺得能夠經過RISC提高的性能，結果又有一部分浪費在了指令譯碼上。針對這個問題，咱們有沒有更好的辦法呢？

七、爲何你們任務認爲RISC優於CISC

我在前面說過，之因此你們認爲RISC優於CISC，來自於一個數字統計，那就是在實際的程序運行過程當中，有80%運行的代碼用着20%的經常使用指令。這意味着，
CPU裏執行的代碼有很強的局部性。而對於有着很強局部性的問題，常見的一個解決方案就是使用緩存。因此，Intel就在CPU裏面加了一層L0 Cache。
這個Cache保存的就是指令譯碼器把CISC的指令「翻譯」成RISC的微指令的結果。因而，在大部分狀況下，CPU均可以從Cache裏面拿到譯碼結果，而不須要讓譯碼器
去進行實際的譯碼操做。這樣不只優化了性能，由於譯碼器的晶體管開關動做變少了，還減小了功耗。

由於「微指令」架構的存在，從Pentium Pro開始，Intel處理器已經不是一個純粹的CISC處理器了。它一樣融合了大量RISC類型的處理器設計。不過，因爲Intel自己在CPU層面作的大量優化，
好比亂序執行、分支預測等相關工做，x86的CPU始終在功耗上仍是要遠遠超過RISC架構的ARM，因此最終在智能手機崛起替代PC的時代，落在了ARM後面。

4、ARM和RISC-V：CPU的如今與將來

2017年，ARM公司的CEO Simon Segards宣佈，ARM累積銷售的芯片數量超過了1000億。做爲一個從12我的起步，在80年代想要獲取Intel的80286架構受權來製造CPU的公司，ARM是如何在移動端把本身的芯片塑形成了最終的霸主呢？

一、ARM的芯片是基於RISC架構

ARM這個名字如今的含義，是「Advanced RISC Machines」。你從名字就可以看出來，ARM的芯片是基於RISC架構的。不過，ARM可以在移動端打敗Intel，
並非由於RISC架構。

到了21世紀的今天，CISC和RISC架構的分界已經沒有那麼明顯了。Intel和AMD的CPU也都是採用譯碼成RISC風格的微指令來運行。ARM的芯片，
而一條指令一樣須要多個時鐘週期，有亂序執行和多發射。我甚至看到過這樣的評價，「ARM和RISC的關係，只有在名字上」。

二、爲何ARM可以在移動端打敗Intel

第一點是功耗優先的設計

一個4核的Intel i7的CPU，設計的時候功率就是130W。而一塊ARM A8的單個核心的CPU，設計功率只有2W。二者之間差出了100倍。
在移動設備上，功耗是一個遠比性能更重要的指標，畢竟咱們不能隨時在身上帶個發電機。ARM的CPU，主頻更低，晶體管更少，高速緩存更小，
亂序執行的能力更弱。全部這些，都是爲了功耗所作的妥協。

第二點則是低價

ARM並無本身壟斷CPU的生產和製造，只是進行CPU設計，而後把對應的知識產權受權出去，讓其餘的廠商來生產ARM架構的CPU。
它甚至還容許這些廠商能夠基於ARM的架構和指令集，設計屬於本身的CPU。像蘋果、三星、華爲，它們都是拿到了基於ARM體系架構設計和製造CPU的受權。ARM本身
只是收取對應的專利受權費用。多個廠商之間的競爭，使得ARM的芯片在市場上價格很便宜。因此，儘管ARM的芯片的出貨量遠大於Intel，可是收入和利潤卻比不上Intel。

三、ARM並非開源的

不過，ARM並非開源的。因此，在ARM架構逐漸壟斷移動端芯片市場的時候，「開源硬件」也慢慢發展起來了。

一、一方面，MIPS在2019年宣佈開源

二、另外一方面，從UC Berkeley發起的RISC-V項目也愈來愈受到你們的關注。而RISC概念的發明人，圖靈獎的得主大衛·帕特森教授從伯克利退休以後，
成了RISC-V國際開源實驗室的負責人，開始推進RISC-V這個「CPU屆的Linux」的開發。能夠想見，將來的開源CPU，也多半會像Linux同樣，
逐漸成爲一個業界的主流選擇。若是想要「打造一個屬於本身CPU」，不可不關注這個項目

5、總結延伸

這一講，我從RISC和CISC架構以前的差別提及，講到RISC的指令是固定長度的，CISC的指令是可變長度的。RISC的指令集裏的指令數少，
並且單個指令只完成簡單的功能，因此被稱爲「精簡」。CISC裏的指令數多，爲了節約內存，直接在硬件層面可以完成複雜的功能，因此被稱爲「複雜」。
RISC的經過減小CPI來提高性能，而CISC經過減小須要的指令數來提高性能。

而後，咱們進一步介紹了Intel的x86 CPU的「微指令」的設計思路。「微指令」使得咱們在機器碼層面保留了CISC風格的x86架構的指令集。
可是，經過指令譯碼器和L0緩存的組合，使得這些指令能夠快速翻譯成RISC風格的微指令，使得實際執行指令的流水線能夠用RISC的架構來搭建。
使用「微指令」設計思路的CPU，不能再稱之爲CISC了，而更像一個RISC和CISC融合的產物。

過去十年裏，Intel仍然把持着PC和服務器市場，可是更多的市場上的CPU芯片來自基於ARM架構的智能手機了。而在ARM彷佛已經壟斷了移動CPU市場的時候，開源的RISC-V出現了，也給了計算機工程師們新的設計屬於本身的CPU的機會。