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精简指令集计算机

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精简指令集计算机（英语：Reduced Instruction Set Computer，缩写：RISC）或简译为精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式。这种设计思路可以想像成是一家模块化的组装工厂，对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。目前常见的精简指令集微处理器包括DEC Alpha、ARC（英语：ARC (processor)）、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power ISA（包括PowerPC、PowerXCell）、RISC-V和SPARC等。

一颗主要用于路由器的Conexant ARM处理器
DEC Alpha AXP 21064 处理器在Windows NT 4.0 SP6之前微软都还支持
IBM PowerPC 601处理器用于PowerMac

历史

精简指令集的名称最早来自1980年大卫·帕特森在加州大学柏克莱分校主持的Berkeley RISC（英语：Berkeley RISC）计划。但在他之前，已经有人提出类似的设计理念。由约翰·科克主持，在1975年开始，1980年完成的IBM 801计划，可能是第一个使用精简指令集理念来设计的系统。

这种设计思路最早的产生缘自于有人发现，尽管传统处理器设计了许多特性让代码编写更加便捷，但这些复杂特性需要几个指令周期才能实现，并且常常不被运行程序所采用。此外，处理器和主内存之间运行速度的差别也变得越来越大。在这些因素促使下，出现了一系列新技术，使处理器的指令得以流水执行，同时降低处理器访问内存的次数。

早期，这种指令集的特点是指令数目少，每条指令都采用标准字长、执行时间短、中央处理器的实现细节对于机器级程序是可见的等等。

实际上在后来的发展中，RISC与CISC（复杂指令集）在竞争的过程中相互学习，现在的RISC指令集也达到数百条，运行周期也不再固定。虽然如此，RISC设计的根本原则——针对流水线化的处理器优化——没有改变，而且还在遵循这种原则的基础上发展出RISC的一个并发化变种VLIW（包括Intel EPIC），就是将简短而长度统一的精简指令组合出超长指令，每次执行一条超长指令，等于并发执行多条短指令。

另一方面，目前最常见的复杂指令集x86 CPU，虽然指令集是CISC的，但因对常用的简单指令会以硬件线路控制尽全力加速，不常用的复杂指令则交由微码循序器“慢慢解码、慢慢跑”，因而有“RISCy x86”之称。

精简指令集之前的设计原理

在早期的计算机业界，编译器技术并不发达，程序多半以机器语言或汇编语言完成。为了便于编写程序，计算机体系结构师设计出越来越复杂的指令，可以直接对应高级编程语言的高级功能。当时的看法是硬件比编译器更容易设计，所以结构的复杂性在硬件这端。

加速这种复杂化的另一因素是缺乏大容量的内存。在内存容量受限的应用中，具有极高消息密度的程序更加实用。当时内存中的每一字节都很宝贵，例如只有几千个字节来存储某个完整系统。它使产业界倾向于高度编码的指令、长度不等的指令、多操作数的指令，以及把数据的搬移与计算合并在一起的指令。在当时看来，相对于使指令更容易解码，指令的编码打包问题尤为重要。

还有一个因素是当时的内存不仅容量少，而且速度很慢，使用的都是磁性技术。凭借高密度打包的指令，访问慢速资源的频率可以降低。

微处理器只有少量寄存器的两个原因是：

  • 寄存器每一个比特位都比外部内存贵。以当时的集成电路技术水准，大量寄存器对芯片或电路板而言是难以承受的。
  • 一旦具有大数量的寄存器，相关的指令字（opcode）将会需要更多的比特位（使用宝贵的RAM）来定位寄存器。

基于上述原因，微处理器设计师尽可能使指令做更多的工作。这导致单个指令做全部的工作：读入两个加数，相加，并将计算结果直接写入内存；另一个例子是从内存读取两个数据，但计算结果存储在寄存器内；第三个例子是从内存和寄存器各读取一个数据，其结果再次写入内存；以此类推。这种微处理器设计原理，在精简指令集（RISC）的思路出现后，最终被人称为复杂指令集。

当时设计的一个通常目标是为每个指令都提供所有的寻址模式，称为“正交性”。这给微处理器增加了一些复杂性，但理论上每个可能的命令均可单独调整。相对于使用更简单的指令，这样做能够使设计速度更快。

这类设计最终可以由功率谱的两端来表述，6502在一端，VAX在功率谱的另一端。单价25美元的1MHz 6502芯片只有一个通用寄存器，但它非常精简的单周期内存访问接口允许一个字节宽度的操作，其效率和使用更高时钟频率的设计一致，例如主频4MHz的Zilog Z80使用相同慢速的存储芯片（大约近似300ns）。另一方面，VAX则是一种小型机，它的每个CPU至少需要三个机架来放置。其显著特点是，它支持的内存访问模式数目多得惊人，并且每条指令都可以使用任一种模式。

RISC设计原理

1970年代后期，IBM（以及其它类似企业组织）的研究人员显示，大多数正交寻址模式基本上已被程序员所忽略。这是编译器的使用逐渐增多而汇编语言的使用相对减少所导致的。值得注意的是，由于编写编译器的难度很大，当时编译器并不能充分利用CISC处理器所提供的各种特性。尽管如此，广泛应用编译器的趋势已然很明显，从而使得正交寻址模式变得更加无用。

这些复杂操作很少被使用。事实上，相比用更精简的一系列指令来完成同一个任务，用单一复杂指令甚至会更慢。这看上去有些自相矛盾，却源自于微处理器设计者所花的时间和精力：设计者一般没有时间去调整每一条可能被用到的指令，通常他们只优化那些常用的指令。一个恶名昭著的例子是VAX的INDEX指令，执行它比执行一个循环还慢。

几乎就在同时，微处理器开始比内存运行得更快。即便是在七十年代末，人们也已经认识到这种不一致性至少会在下一个十年继续增加，到时微处理器将会比内存的速度快上百倍。很明显，需要有更多寄存器（以及后来的缓存）来支持更高频率的操作。为此，必须降低微处理器原本的复杂度，以节省出空间给新增的寄存器和缓存。

不过RISC也有它的缺点。当需要一系列指令用来完成非常简单的程序时，从存储器读入的指令总数会变多，因此也需要更多时间。在当时的工业和设计领域，对RISC的性能优劣有大量持续不断的争论。

提升中央处理器性能的方法

精简指令集设计中常见的特征：

  • 统一指令编码（例如，所有指令中的op-code永远位于同样的比特位置、等长指令），可快速解译：
  • 泛用的寄存器，所有寄存器可用于所有内容，以及编译器设计的单纯化（不过寄存器中区分了整数和浮点数）；
  • 单纯的寻址模式（复杂寻址模式以简单计算指令序列取代）；
  • 硬件中支持少数资料类型（例如，一些CISC电脑中存有处理字节字符串的指令。这在RISC电脑中不太可能出现）。

参考


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