【軟體硬體】精簡指令集和複雜指令集的區別

RISC(精簡指令集計算機)和CISC(複雜指令集計算機)是當前CPU的兩種架構。它們的區別在於不同的CPU設計理念和方法。

CPU架構是廠商給屬於同一系列的CPU產品定的一個規範，主要目的是為了區分不同型別CPU的重要標示

早期的CPU全部是CISC架構，它的設計目的是要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。比如對於乘法運算，在CISC架構的CPU上，您可能需要這樣一條指令：MUL ADDRA, ADDRB就可以將ADDRA和ADDRB中的數相乘並將結果儲存在ADDRA中。將ADDRA, ADDRB中的資料讀入暫存器，相乘和將結果寫回記憶體的操作全部依賴於CPU中設計的邏輯來實現。這種架構會增加CPU結構的複雜性和對CPU工藝的要求，但對於編譯器的開發十分有利。比如上面的例子，C程式中的a*=b就可以直接編譯為一條乘法指令。今天只有Intel及其相容CPU還在使用CISC架構。

RISC架構要求軟體來指定各個操作步驟。上面的例子如果要在RISC架構上實現，將ADDRA, ADDRB中的資料讀入暫存器，相乘和將結果寫回記憶體的操作都必須由軟體來實現，比如：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。這種架構可以降低CPU的複雜性以及允許在同樣的工藝水平下生產出功能更強大的CPU，但對於編譯器的設計有更高的要求。

複雜指令集計算機(CISC)
　　長期來，計算機效能的提高往往是通過增加硬體的複雜性來獲得．隨著積體電路技術．特別是VLSI（超大規模積體電路）技術的迅速發展，為了軟體程式設計方便和提高程式的執行速度，硬體工程師採用的辦法是不斷增加可實現複雜功能的指令和多種靈活的編址方式．甚至某些指令可支援高階語言語句歸類後的複雜操作．至使硬體越來越複雜，造價也相應提高．為實現複雜操作，微處理器除向程式設計師提供類似各種暫存器和機器指令功能外．還通過存於只讀存貯器(ROM)中的微程式來實現其極強的功能 ，傲處理在分析每一條指令之後執行一系列初級指令運算來完成所需的功能，這種設計的型式被稱為複雜指令集計算機(Complex Instruction Set Computer-CISC)結構．一般CISC計算機所含的指令數目至少300條以上，有的甚至超過500條．
精簡指令集計算機(RISC)
　　採用複雜指令系統的計算機有著較強的處理高階語言的能力．這對提高計算機的效能是有益的．當計算機的設計沿著這條道路發展時．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，開始懷疑這種傳統的做法：IBM公司沒在紐約Yorktown的JhomasI.Wason研究中心於1975年組織力量研究指令系統的合理性問題．因為當時已感到，日趨龐雜的指令系統不但不易實現．而且還可能降低系統效能．1979年以帕特遜教授為首的一批科學家也開始在美國加冊大學伯克萊分校開展這一研究．結果表明，CISC存在許多缺點．首先．在這種計算機中．各種指令的使用率相差懸殊：一個典型程式的運算過程所使用的80％指令．只佔一個處理器指令系統的20％．事實上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡單的指令．這樣-來，長期致力於複雜指令系統的設計，實際上是在設計一種難得在實踐中用得上的指令系統的處理器．同時．複雜的指令系統必然帶來結構的複雜性．這不但增加了設計的時間與成本還容易造成設計失誤．此外．儘管VLSI技術現在已達到很高的水平，但也很難把CISC的全部硬體做在一個晶片上，這也妨礙單片計算機的發展．在CISC中，許多複雜指令需要極複雜的操作，這類指令多數是某種高階語言的直接翻版，因而通用性差．由於採用二級的微碼執行方式，它也降低那些被頻繁呼叫的簡單指令系統的執行速度．因而．針對CISC的這些弊病．帕特遜等人提出了精簡指令的設想即指令系統應當只包含那些使用頻率很高的少量指令．並提供一些必要的指令以支援作業系統和高階語言．按照這個原則發展而成的計算機被稱為精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer-RISC)結構．簡稱RISC．

CISC與RISC的區別　

　　我們經常談論有關"PC"與"Macintosh"的話題，但是又有多少人知道以Intel公司X86為核心的PC系列正是基於CISC體系結構，而 Apple公司的Macintosh則是基於RISC體系結構，CISC與RISC到底有何區別？
　　從硬體角度來看CISC處理的是不等長指令集，它必須對不等長指令進行分割，因此在執行單一指令的時候需要進行較多的處理工作。而RISC執行的是等長精簡指令集，CPU在執行指令的時候速度較快且效能穩定。因此在並行處理方面RISC明顯優於CISC，RISC可同時執行多條指令，它可將一條指令分割成若干個程式或執行緒，交由多個處理器同時執行。由於RISC執行的是精簡指令集，所以它的製造工藝簡單且成本低廉。
　　從軟體角度來看，CISC執行的則是我們所熟識的DOS、Windows作業系統。而且它擁有大量的應用程式。因為全世界有65%以上的軟體廠商都理為基於CISC體系結構的PC及其相容機服務的，象赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。而RISC在此方面卻顯得有些勢單力薄。雖然在RISC上也可執行DOS、Windows，但是需要一個翻譯過程，所以執行速度要慢許多。
　　目前CISC與RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5就是一個最明顯的例子，它們的核心都是基於RISC體系結構的。他們接受CISC指令後將其分解分類成RISC指令以便在遇一時間內能夠執行多條指令。由此可見，下一代的CPU將融合CISC與RISC兩種技術，從軟體與硬體方面看二者會取長補短。
 
複雜指令集CPU內部為將較複雜的指令譯碼，也就是指令較長，分成幾個微指令去執行，正是如此開發程式比較容易（指令多的緣故），但是由於指令複雜，執行工作效率較差，處理資料速度較慢，PC 中 Pentium的結構都為CISC CPU。
RISC是精簡指令集CPU，指令位數較短，內部還有快速處理指令的電路，使得指令的譯碼與資料的處理較快，所以執行效率比CISC高，不過，必須經過編譯程式的處理，才能發揮它的效率，我所知道的IBM的 Power PC為RISC CPU的結構，CISCO 的CPU也是RISC的結構。
我們們經常見到的PC中的CPU，Pentium-Pro（P6）、Pentium-II,Cyrix的M1、M2、AMD的K5、K6實際上是改進了的CISC，也可以說是結合了CISC和RISC的部分優點。

RISC與CISC的主要特徵對比

比較內容 CISC RISC 
指令系統 複雜，龐大 簡單，精簡 
指令數目 一般大於200 一般小於100 
指令格式 一般大於4 一般小於4 
定址方式 一般大於4 一般小於4 
指令字長 不固定 等長 
可訪存指令 不加限制 只有LOAD/STORE指令 
各種指令使用頻率 相差很大 相差不大 
各種指令執行時間 相差很大 絕大多數在一個週期內完成 
優化編譯實現 很難 較容易 
程式原始碼長度 較短 較長 
控制器實現方式 絕大多數為微程式控制 絕大多數為硬佈線控制 
軟體系統開發時間 較短 較長