cisc

指令系統(tǒng)龐大，指令功能復(fù)雜，指令格式、尋址方式多;絕大多數(shù)指令需多個(gè)機(jī)器周期完成;各種指令都可訪問存儲(chǔ)器;采用微程序控制;有專用寄存器，少量;難以用優(yōu)化編譯技術(shù)生成高效的目標(biāo)代碼程序;CISC存在的問題 :指令系統(tǒng)龐大，指令功能復(fù)雜，指令格式、尋址方式多;執(zhí)行速度慢;難以優(yōu)化編譯，編譯程序復(fù)雜; 80%的指令在20%的運(yùn)行時(shí)間使用;無(wú)法并行;無(wú)法兼容;導(dǎo)致CISC指令系統(tǒng)復(fù)雜的主要原因 :減少語(yǔ)義差距減少存儲(chǔ)空間，提高速度為了向上兼容 帶來(lái)的后果電路復(fù)雜，編譯效率低無(wú)法并行;無(wú)法兼容 典型的CISC產(chǎn)品 項(xiàng)目 VAX11/780 1978年 Intel80386 1985年 MC68020 1984年 指令條數(shù) 304 111 101 尋址方式 24 11 16 指令格式 變長(zhǎng)(2-57byte) 變長(zhǎng)(1-17byte)16從CISC到RISC CISC指令系統(tǒng)存在的問題:20%與80%規(guī)律 CISC中，大約20%的指令占據(jù)了80%的處理機(jī)時(shí)間。其余80%指令:使用頻度只占20%的處理機(jī)運(yùn)行時(shí)間 VLSI技術(shù)的發(fā)展引起的問題 VLSI工藝要求規(guī)整性，RISC正好適應(yīng)了VLSI工藝的要求主存與控存的速度相當(dāng)，簡(jiǎn)單指令沒有必要用微程序?qū)崿F(xiàn)，復(fù)雜指令用微程序?qū)崿F(xiàn)與用簡(jiǎn)單指令組成的子程序?qū)崿F(xiàn)沒有多大區(qū)別;由于VLSI的集成度迅速提高，使得生產(chǎn)單芯片處理機(jī)成為可能。 軟硬件的功能分配問題復(fù)雜的指令使指令的執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)一般CISC處理機(jī)的指令平均執(zhí)行周期都在4以上，有些在10以上 CISC增強(qiáng)了指令系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化了軟件，但硬件復(fù)雜了，設(shè)計(jì)周期加長(zhǎng)。

采用復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有著較強(qiáng)的處理高級(jí)語(yǔ)言的能力.這對(duì)提高 計(jì)算機(jī)的性能是有益的.當(dāng)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)沿著這條道路發(fā)展時(shí).有些人沒有隨波逐流.他們回過頭去看一看過去走過的道路，開始懷疑這種傳統(tǒng)的做法:IBM公司設(shè)在紐約Yorktown的JhomasI.Wason研究中心于1975年組織力量研究指令系統(tǒng)的合理性問題.因?yàn)樗?dāng)時(shí)已感到，日趨龐雜的指令系統(tǒng)不但不易實(shí)現(xiàn).而且還可能降低系統(tǒng)性能。1979年以帕特遜教授為首的一批科學(xué)家也開始在美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校開展這一研究.結(jié)果表明，CISC存在許多缺點(diǎn). 首先.在這種計(jì)算機(jī)中.各種指令的使用率相差懸殊:一個(gè)典型程序的運(yùn)算過程所使用的80%指令.只占一個(gè)處理器指令系統(tǒng)的20%.事實(shí)上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡(jiǎn)單的指令.這樣-來(lái)，長(zhǎng)期致力于復(fù)雜指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)際上是在設(shè)計(jì)一種難得在實(shí)踐中用得上的指令系統(tǒng)的處理器.

同時(shí).復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然帶來(lái)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性.這不但增加了設(shè)計(jì)的時(shí)間與成本還容易造成設(shè)計(jì)失誤.此外.盡管VLSI技術(shù)現(xiàn)在已達(dá)到很高的水平，但也很難把CISC的全部硬件做在一個(gè)芯片上，這也妨礙單片計(jì)算機(jī)的發(fā)展.在CISC中，許多復(fù)雜指令需要極復(fù)雜的操作，這類指令多數(shù)是某種高級(jí)語(yǔ)言的直接翻版，因而通用性差.由于采用二級(jí)的微碼執(zhí)行方式，它也降低那些被頻繁調(diào)用的簡(jiǎn)單指令系統(tǒng)的運(yùn)行速度. 因而.針對(duì)CISC的這些弊病.帕特遜等人提出了精簡(jiǎn)指令的設(shè)想即指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)只包含那些使用頻率很高的少量指令.并提供一些必要的指令以支持操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言.按照這個(gè)原則發(fā)展而成的計(jì)算機(jī)被稱為精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(ReducedInstructionSetComputer-RISC).簡(jiǎn)稱RISC.

CISC是指采用一整套計(jì)算機(jī)指令進(jìn)行操作的計(jì)算機(jī)。而后又 出現(xiàn)了精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，它精簡(jiǎn)了指令集，只保留了那些常用的指令，這樣計(jì)算機(jī)能以更快的速度執(zhí)行操作。

CISC早期的計(jì)算機(jī)部件比較昂貴，主頻低，運(yùn)算速度慢。為了提高運(yùn)算速度，人們不得不將越來(lái)越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計(jì)算機(jī)的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)體系。為了在有限的指令長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)更多的指令，人們又設(shè)計(jì)了操作碼擴(kuò)展。然后，為了達(dá)到操作碼擴(kuò)展的先決條件--減少地址碼，設(shè)計(jì)師又發(fā)現(xiàn)了各種尋址方式，如基址尋址、相對(duì)尋址等，以最大限度地壓縮地址長(zhǎng)度，為操作碼留出空間。Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來(lái)的Pentium系列，每出一代新的CPU，都會(huì)有自己新的指令，而為了兼容以前的CPU平臺(tái)上的軟件，舊的CPU的指令集又必須保留，這就使指令的解碼系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。CISC可以有效地減少編譯代碼中指令的數(shù)目，使取指操作所需要的內(nèi)存訪問數(shù)量達(dá)到最小化。此外CISC可以簡(jiǎn)化編譯器結(jié)構(gòu)，它在處理器指令集中包含了類似于程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言結(jié)構(gòu)的復(fù)雜指令，這些復(fù)雜指令減少了程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差別，而且簡(jiǎn)化了編譯器的結(jié)構(gòu)。

為了支持復(fù)雜指令集，CISC通常包括一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)通路和一個(gè)微程序控制 器。微程序控制器由一個(gè)微程序存儲(chǔ)器、一個(gè)微程序計(jì)數(shù)器(MicroPC)和地址選擇邏輯構(gòu)成。在微程序存儲(chǔ)器中的每一個(gè)字都表示一個(gè)控制字，并且包含了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所有數(shù)據(jù)通路控制信號(hào)的值。這就意味著控制字中的每一位表示一個(gè)數(shù)據(jù)通路控制線的值。例如，它可以用于加載寄存器或者選擇ALU中的一個(gè)操作。此外每個(gè)處理器指令都由一系列的控制字組成。當(dāng)從內(nèi)存中取出這樣的一條指令時(shí)，首先把它放在指令寄存器中，然后地址選擇邏輯再根據(jù)他來(lái)確定微程序存儲(chǔ)器中相應(yīng)的控制字順序起始地址。當(dāng)把該起始地址放入MicroPC中后，就從微程序內(nèi)存中找到相應(yīng)的控制字，并利用它在數(shù)據(jù)通路中把數(shù)據(jù)從一個(gè)寄存器傳送到另一個(gè)寄存器。由于MicroPC中的地址并發(fā)遞增來(lái)指向下一個(gè)控制字，因此對(duì)于序列中的每個(gè)控制器都會(huì)重復(fù)一遍這一步驟。最終，當(dāng)執(zhí)行完最后一個(gè)控制字時(shí)，就從內(nèi)存中取出一條新的指令，整個(gè)過程會(huì)重復(fù)進(jìn)行。

由此可見，控制字的數(shù)量及時(shí)鐘周期的數(shù)目對(duì)于每一條指令都可以是不同的。因此在CISC中很難實(shí)現(xiàn)指令流水操作。另外，速度相對(duì)較慢的微程序存儲(chǔ)器需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)鐘周期。由于指令流水和短的時(shí)鐘周期都是快速執(zhí)行程序的必要條件，因此CISC體系結(jié)構(gòu)對(duì)于高效處理器而言不太合適的。

(百度名片內(nèi)容和圖片來(lái)源:)

CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))和RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))是當(dāng)前CPU的兩種架構(gòu)。它們的區(qū)別在于不同的CPU設(shè)計(jì)理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)目的是 要用最少的機(jī)器語(yǔ)言指令來(lái)完成所需的計(jì)算任務(wù)。RISC和CISC是設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有:

(1)指令系統(tǒng):RISC設(shè)計(jì)者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡(jiǎn)單高效的特色。對(duì)不常用的功能，常通過組合指令來(lái)完成。因此，在RISC機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來(lái)完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。

(2)存儲(chǔ)器操作:RISC對(duì)存儲(chǔ)器操作有限制，使控制簡(jiǎn)單化;而CISC機(jī)器的存儲(chǔ)器操作指令多，操作直接。

(3)程序:RISC匯編語(yǔ)言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì);而CISC匯編語(yǔ)言程序編程相對(duì)簡(jiǎn)單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計(jì)相對(duì)容易，效率較高。

(4)中斷:RISC機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷;而CIS C機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。

(5)CPU:RISCCPU包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低;而CISCCPU包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。

(6)設(shè)計(jì)周期:RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù);CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。

(7)用戶使用:RISC微處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用;CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。

(8)應(yīng)用范圍:由于RISC指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC機(jī)器更適合于專用機(jī);而CISC機(jī)器則更適合于通用機(jī)。

(1)指令的2/8規(guī)律

CISC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，大概有20%的比較簡(jiǎn)單的指令被反復(fù)使用，使用量約占整個(gè)程序的80%;而有80%左右的指令則很少使用，其使用量約占整個(gè)程序的20%。

VLSI制造工藝要求CPU控制邏輯的規(guī)整性

進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，VLSI技術(shù)的發(fā)展非常迅速，往往每3到4年集成度就提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。VLSI工藝要求規(guī)整性，而CISC處理器中，為了實(shí)現(xiàn)大量復(fù)雜的指令，控制邏輯極不規(guī)整，給VLSI工藝造成很大困難。

此外，以CISC處理器中，大量使用微程序技術(shù)以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代之前一般采用磁芯做主存儲(chǔ)器，采用半導(dǎo)體做控制存儲(chǔ)器，兩者的速度相差5~10倍。從70年代后期開始，大量使用DRAM(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器)做主存儲(chǔ)器，使主存與控制存儲(chǔ)器的速度相當(dāng)，從而使許多簡(jiǎn)單指令沒有必要用微程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。而復(fù)雜的指令，用微程序?qū)崿F(xiàn)和簡(jiǎn)單指令組成的子程序?qū)崿F(xiàn)已經(jīng)沒有多大區(qū)別。

軟硬件的功能劃分

在CISC中，為了支持目標(biāo)程序的優(yōu)化，支持高級(jí)語(yǔ)言和編譯程序，增加了許多復(fù)雜的指令，用一條指令來(lái)替代一串指令。這些復(fù)雜指令簡(jiǎn)化目標(biāo)程序，縮小了高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器指令之間的語(yǔ)義差距。但是，增加了這些復(fù)雜指令并不等于縮短了程序的執(zhí)行時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令，不僅增加了硬件的復(fù)雜程序，而且使指令的執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)。例如，為了支持編譯程序的對(duì)稱性要求，一般的運(yùn)算型指令都能直接訪問主存儲(chǔ)器，從而使指令的執(zhí)行周期數(shù)增加，數(shù)據(jù)的重復(fù)利用率降低。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般CISC處理器的指令平均執(zhí)行周期都在4以上，有些在10以上，如Intel公司的8088等。

這里有一個(gè)軟件與硬件的功能如何恰當(dāng)分配的問題。在CISC中，通過增強(qiáng)指令系統(tǒng)的功能，簡(jiǎn)化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而，由于指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時(shí)間必然加長(zhǎng)，從而有可能使整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間反而增加，因此，在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軟硬件功能劃分必須核實(shí)。

RISC 和CISC 是目前設(shè)計(jì)制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)到高效

的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大，它們主要有:

(1) 指令系統(tǒng):RISC 設(shè)計(jì)者把主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡(jiǎn)單高效的特色。對(duì)不常用的功能，常通過組合指令來(lái)完成。因此，在RISC 機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC 計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來(lái)完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。

(2) 存儲(chǔ)器操作:RISC 對(duì)存儲(chǔ)器操作有限制，使控制簡(jiǎn)單化;而CISC 機(jī)器的存儲(chǔ)器操作指令多，操作直接。

(3) 程序:RISC 匯編語(yǔ)言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì);而CISC 匯編語(yǔ)言程序編程相對(duì)簡(jiǎn)單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序讓設(shè)計(jì)相對(duì)容易，效率較高。

(4) 中斷:RISC 機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷;而CISC 機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。

(5) CPU:RISC CPU 包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低;而CISC CPU 包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。

(6) 設(shè)計(jì)周期:RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，且易于采用最新技術(shù);CISC 微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。

(7) 用戶使用:RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用;CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。

(8) 應(yīng)用范圍:由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC 機(jī)器更適合于專用機(jī);而CISC 機(jī)器則更適合于通用機(jī)。