CISC与RISC¶

CISC（复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer）¶

1. CISC 的核心理念与代表¶

CISC 的核心设计思路是通过增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令来实现特定的操作。它期望用一条硬件指令来完成复杂的任务。

典型代表：我们日常使用的 x86 架构计算机，例如 Intel 的 Core i5、i7、i9 系列以及 AMD 的 Ryzen 系列处理器，都是典型的 CISC 架构。

2. CISC 是如何演变而来的？¶

早期计算机面临着“软件危机”：硬件集成电路技术飞速发展使得硬件成本不断下降，但软件的复杂度激增，开发成本不断上升。为了解决这个问题，设计者们不断向指令系统中添加新指令，主要出于以下需求：

弥补“语义鸿沟”：增加语义上更接近高级语言的指令，这样就能简化编译器的设计，提高编译效率，让软件开发更容易
向后兼容性：为了让以前的软件能无缝运行在新机器上，同一系列的新型和高档计算机只能扩充新指令，绝对不能删减老指令，导致指令集像滚雪球一样越来越大。

3. CISC 的核心特征¶

指令库极其庞大：指令数目非常多，一般都在200条以上，甚至多达数百条。
格式复杂，字长不固定：指令的长度是不固定的，为了在有限的长度内实现各种功能，设计了非常多的指令格式和寻址方式（如基址寻址、相对寻址等）。
访存极其自由：不仅是专门的存取指令，CISC 对可以访问主存的指令不加限制，很多运算指令可以直接在内存数据上进行操作。
微程序控制为主：因为指令太复杂，很难用纯硬件逻辑电路直接接线实现，所以绝大多数 CISC 采用微程序控制器。这种控制器的控制存储器往往要占据整个 CPU 芯片面积的 50% 以上。
执行时间参差不齐：不同指令的执行时间相差极大，大多数复杂指令需要多个时钟周期才能完成，这让流水线设计变得非常困难，也难以进行编译优化。

4. CISC 面临的挑战与“二八定律”¶

尽管功能极其强大，但人们后来对传统 CISC 程序的运行情况进行了测试，发现了一个惊人的“80-20规律”：

典型的程序在运行中，大约 80% 的时间仅仅反复使用了指令集中最简单的 20% 的指令。
而花费巨大精力设计的剩下 80% 的复杂指令，在程序运行中却极少被用到（约占20%）。

虽然从硬件执行效率和面积利用率上看，RISC（精简指令集）显得更科学，但 CISC 依然不可替代。因为早期绝大部分软件都是基于 CISC 开发的，CISC 在软件兼容性上有着无与伦比的优势，这也是 Intel 至今能在 PC 领域“一统江湖”的关键原因。

有趣的是，现代的 CISC 结构 CPU 其实早已不再是纯粹的 CISC，它们在内部大量融合了 RISC 的技术成分（例如在微架构层面将复杂的 CISC 指令打碎成简单的微操作来执行），两者的性能差距正在逐渐缩小。

有了前面 CISC 的基础，理解 RISC（精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer）就会有一种“豁然开朗”的感觉。如果说 CISC 是做加法，那么 RISC 就是在做极致的减法。

RISC（精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer）¶

诞生的契机：打破“80-20规律”¶

正如我们在 CISC 中提到的，设计者对传统程序的测试发现了一个惊人的事实：程序运行中大约 80% 的时间只用到了 20% 最简单的指令。RISC 正是基于这一规律诞生的：既然 80% 的复杂指令极少被使用，为什么不干脆把它们去掉？

核心思路：只保留那些使用频率最高、最简单的指令，遇到复杂的功能，就通过组合这些常用的简单指令来实现 。

RISC 的核心特征¶

严格的 LOAD/STORE 架构：这是极其重要的一点。因为访问内存非常慢，在 RISC 中，只有取数（LOAD）和存数（STORE）指令被允许访问主存。所有其他的运算操作都必须在 CPU 的寄存器之间进行。
面向通用寄存器的结构：既然运算只能在寄存器里做，为了减少频繁访问慢速的主存，RISC 内部配备了数量相当庞大的通用寄存器。
指令“长相”高度统一：指令长度是固定的，指令格式和寻址方式的种类都非常少。这大大简化了 CPU 内部译码逻辑的设计
硬布线控制为主：因为指令简单规整，不再需要 CISC 那种庞大复杂的微程序控制器，可以直接用组合逻辑电路（硬布线）来实现控制部件。这种硬布线逻辑通常只占 CPU 芯片面积的 10% 左右（而 CISC 的微程序控制往往占 50% 以上），不仅大大提升了速度，还节省了芯片空间。
流水线的绝对依赖：绝大多数 RISC 指令极其简单，因此可以完美适配“指令流水线”技术，使得大部分指令都能在一个时钟周期内完成，极大地提高了运算速度。
极其重视编译优化：一个在 CISC 上只需一条复杂指令就能完成的操作，在 RISC 上可能需要被拆解成好几条简单指令的组合。因此，RISC 特别依赖聪明的“编译器”来选择有效的指令、调整指令顺序，以保证最终生成的目标代码执行高效。
兼容性包袱：由于指令被大刀阔斧地精简，指令条数少且格式不同于老机器，大多数 RISC 计算机无法像 CISC 那样对老款机器的软件做到向下兼容。

典型代表：我们智能手机和嵌入式设备里几乎 100% 使用的 ARM 架构，以及经典的 MIPS 和近年来非常火爆的开源架构 RISC-V，都是典型的 RISC 计算机。

走向融合：从实用性和结构合理性来看，RISC 代表了处理器更高的效率。虽然 Intel 靠着 CISC 和庞大的历史软件生态赢得了 PC 时代，但现代的 CISC 处理器其实已经大量融合了 RISC 的成分，两者的性能差距正在缩小。

两者的哲学区别：
CISC 是“重剑无锋”，试图用强大的硬件（复杂指令）替软件分担工作；
RISC 是“天下武功唯快不破”，用最轻快的硬件（简单指令+流水线）把复杂的逻辑推给软件（编译器）去处理。

CISC 与 RISC 的对比¶

对比项目	CISC (复杂指令集计算机)	RISC (精简指令集计算机)
指令系统	复杂、庞大	简单，精简
指令数目	一般大于 200 条	一般小于 100 条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有 LOAD/STORE 指令可以访存
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度	相差很大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	多
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制 (硬布线)
目标代码与编译优化	难以用优化编译生成高效的目标代码程序	采用优化的编译程序，生成代码较为高效

【2009-17】下列关于RISC的叙述中，错误的是（）。

A. RISC普遍采用微程序控制器

B. RISC大多数指令在一个时钟周期内完成

C. RISC的内部通用寄存器数量相对CISC多

D. RISC的指令数、寻址方式和指令格式种类相对CISC少

解析

答案：A. RISC普遍采用微程序控制器
这是一道概念题，需要找出错误的叙述。

A选项错误：RISC（精简指令集计算机）的特点是指令简单且规整，因此其控制器普遍采用硬布线控制器（组合逻辑控制器）以追求极致的执行速度；而 CISC（复杂指令集计算机）因为指令复杂、寻址方式多，才普遍采用微程序控制器。
B选项正确：RISC 指令简单，绝大多数指令可以在一个时钟周期内（单周期）执行完毕，常常结合流水线技术。
C选项正确：为了减少访存次数（只有 Load/Store 指令能访问内存），RISC 架构内部会配置大量的通用寄存器。
D选项正确：RISC 的核心思想就是“精简”，保留最常用的基本指令，寻址方式和指令格式种类都比 CISC 少很多。

（袁书习题）下列有关 RISC 特征的描述中，错误的是（）。
A. 指令格式规整，寻址方式少
B. 采用硬连线控制和指令流水线
C. 配置的通用寄存器数目不多
D. 运算类指令的操作数不访存

解析

答案：C

选项A：指令格式规整，寻址方式少：RISC的设计目标是简化指令系统，因此指令长度固定、格式规整，且寻址方式种类少（通常仅支持寄存器寻址、立即数寻址等少数方式），以降低译码复杂度。→ A描述正确，不是错误选项。

选项B：采用硬连线控制和指令流水线：RISC指令格式规整、操作简单，非常适合用硬连线控制（组合逻辑控制）实现，相比微程序控制速度更快；同时，RISC天然支持指令流水线，通过重叠执行指令大幅提升执行效率。→ B描述正确，不是错误选项。

选项C：配置的通用寄存器数目不多：RISC的核心设计思想之一是“以寄存器为中心”，通过配置大量通用寄存器（通常几十到上百个），让绝大多数操作在寄存器之间完成，减少访存次数（访存速度远慢于寄存器）。因此“通用寄存器数目不多”是CISC（复杂指令集计算机）的特征，而非RISC。→ C描述错误，是本题答案。

选项D：运算类指令的操作数不访存：RISC中，只有专门的Load/Store指令可以访问存储器，运算类指令（如加减乘除）的操作数必须来自寄存器，运算结果也直接写回寄存器，不直接访问内存。这一设计大幅简化了运算指令的控制逻辑，也便于流水线实现。→ D描述正确，不是错误选项。

下列关于复杂指令系统计算机（CISC）的叙述中，错误的是（）。

A. CISC的指令长度通常是不固定的，指令格式和寻址方式繁多

B. CISC严格限制只有LOAD/STORE（取数/存数）指令才能访问主存

C. CISC的各种指令执行时间相差很大，大多数指令需要多个时钟周期

D. CISC的控制器大多数采用微程序控制

解析

【答案】 B

选项A正确：CISC为了在有限指令长度内实现更多功能，设计了众多格式和寻址方式，导致指令字长不固定。

选项B错误：这是RISC的典型特征。在RISC中，为了减少访问慢速主存，只有LOAD和STORE指令被允许访存。而CISC对可以访存的指令是不加限制的。

选项C正确：由于CISC指令功能复杂程度不一，其执行时间参差不齐，很多复杂指令无法在一个时钟周期内完成。

选项D正确：CISC指令系统过于复杂，难以用纯组合逻辑电路直接接线实现，因此绝大多数采用微程序控制器。

下列关于精简指令系统计算机（RISC）特点的叙述中，错误的是（）。

A. RISC的控制器以硬布线控制为主，能更充分地利用CPU芯片面积

B. RISC特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间

C. 为了保证历史软件的运行，大多数RISC架构都能与老机器实现软件兼容

D. RISC选取使用频率最高的一些简单指令，复杂功能由简单指令组合实现

解析

【答案】 C

选项A正确：RISC由于指令简单，大多采用硬布线（组合逻辑）控制，其逻辑电路只占CPU芯片面积的10%左右（相比之下CISC的微程序控制存储器占50%以上），因此能更好地利用芯片面积。

选项B正确：RISC把硬件简化了，因此将部分复杂操作推给了软件（编译器）。它特别依赖优化的编译程序来调整指令顺序和选择有效指令，从而生成高效的目标代码。

选项C错误：CISC大多能实现软件兼容（高档机包含低档机全部指令）。但RISC因为大刀阔斧地简化了指令系统，指令条数少且格式不同于老机器，因此大多数RISC计算机不能与老机器兼容。

选项D正确：这是RISC诞生的基本理念，基于“80-20规律”，即用最常用的简单指令来重组实现那些不常用的复杂指令功能。