為什么我國自主設(shè)計的CPU基本上都是精簡指令集,復雜指令集是要過時了嗎?:精簡指令集(RISC)的代表ARM確實占領(lǐng)了手機等移動市場,但沒必要把它捧上天,復雜指
精簡指令集(RISC)的代表ARM確實占領(lǐng)了手機等移動市場,但沒必要把它捧上天,復雜指令集(CISC)的代表英特爾和AMD的CPU也并非一無是處,僅在性能和兼容性上的兩大優(yōu)勢,就是ARM的處理器無法替代的。所以現(xiàn)在斷言復雜指令集(CISC)過時,有點言之過早。
打個比方,復雜指令集(CISC)的代表英特爾處理器相當于三國演義中的曹操,占據(jù)最有利的地形,兵強馬壯(PC領(lǐng)域和服務器領(lǐng)域絕對的王者);
精簡指令集(RISC)的代表ARM處理器相當于東吳,實力也不弱,曾擊退曹操百萬大軍(在移動領(lǐng)域打敗英特爾);
而精簡指令集(RISC)陣營的另一代表是MIPS處理器,相當于蜀漢。三者關(guān)系詳見下圖:
“曹操”英特爾能混到今天的地位,靠的是什么?靠的是強大的性能和良好的兼容性。
先說性能。
沒錯,復雜指令集(CISC)的缺點是指令集臃腫,但這個缺點也是它的優(yōu)點,因為指令多意味著能完成的功能也多,性能也強大。英特爾處理器近幾年增加了幾百條MMX、SSE指令,提高了執(zhí)行多媒體程序和其它特殊程序的性能,所以成為工作站、服務器、游戲機等高性能CPU的絕對首選。
在這些對計算性能要求高的場所,打醬油都是同為復雜指令集(CISC)的AMD處理器(服務器市場份額為5%),ARM的份額基本等于零。
此外,英特爾處理器在1995年讓復雜指令集(CISC)這棵老樹發(fā)出了新芽,發(fā)布的Pentium Pro處理器采用著名的P6微架構(gòu),成為教科書式的一代經(jīng)典。其經(jīng)典之處在于,X86指令集(屬于CISC)先解碼成類似精簡指令集(RISC)的微操作(microoperations),然后采用RISC內(nèi)核執(zhí)行。這句話讀起來太專業(yè)晦澀?不要緊,記住這句話就行:現(xiàn)在的英特爾處理器,相當于用復雜指令集(CISC)這張餃子皮,包著精簡指令集(RISC)的餡兒。
P6架構(gòu)雖然復雜,但提升了性能,不僅讓復雜指令集(CISC)這顆老樹成功發(fā)芽,還開花結(jié)果,越來越繁盛,20多年來不僅統(tǒng)治PC市場,還在服務器領(lǐng)域?qū)⒕喼噶罴≧ISC)CPU碾成渣渣,逼得其代表ARM只能向低功耗和嵌入式方向發(fā)展,最后遇上手機崛起,才由衰轉(zhuǎn)盛,和霉運說拜拜。
和英特爾硬抗到底、不愿撤退的Power處理器,現(xiàn)在墳頭樹已經(jīng)有合抱粗了。
精簡指令集(RISC)CPU敗給英特爾,主要就栽在了兼容這道坎上。
IBM最先提出RISC思想,開發(fā)的Power處理器性能強過CISC指令集的老大英特爾處理器,還拉來蘋果、摩托羅拉、SUN公司、微軟等成立軟硬件聯(lián)盟,但最終結(jié)果是,英特爾憑借良好的兼容性,打敗了Power處理器,蘋果也轉(zhuǎn)投英特爾懷抱。這就是兼容的威力。
性能和兼容是兩大指令集交鋒的重點,其中兼容又是決定性因素,因為它牽涉到生態(tài)問題。現(xiàn)在CISC指令集CPU主要集中在PC和服務器領(lǐng)域,RISC指令集CPU主要占據(jù)移動和嵌入式設(shè)備,井水不犯河水,就是因為兩大陣營都建立了各自強大的生態(tài)系統(tǒng),想犯也沒有用。
至于以后,RISC指令集中的ARM處理器是否會一統(tǒng)天下,CISC指令集中的英特爾處理器是否會因此被淘汰,這個誰也不好說,但在可見的未來,兩大指令集系統(tǒng)還是會保持互不侵犯的狀態(tài)。
說過CISC指令集并不過時、生命力依然旺盛后,現(xiàn)在可以回答題主問題了。我國自主設(shè)計的CPU基本采用RISC指令集,主要因為它是一個開放的生態(tài),花錢可以買指令集授權(quán),買IP核搞集成設(shè)計,總之可以隨意買買買。而CISC指令集是一個封閉的生態(tài),代表是英特爾處理器,目前僅授權(quán)AMD,給錢人家也不賣。
直接一句話道出根本原因:想用復雜指令集但得不到授權(quán),沒辦法,只能使用精簡指令集。吹精簡指令集屬于自欺欺人。
國內(nèi)對RISC的認識程度還可以,但是對CISC的認識程度很淺。
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因為大多數(shù)研究生甚至是教授老師,認為CISC就是x86那樣的指令,這其實是個很大的誤解。
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對CISC的理解,要從Cray-1的架構(gòu)去理解才能有比較深入的認識?戳薈ray-1之后,在去把NEC的SX系列看一下。
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NEC的SX系列可以認為是CRAY-1的傳承,他的指令集在35年內(nèi)(從1983年的SX3開始,到今年已經(jīng)是37年了)都保持了兼容性。
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看了Cray-1和NEC SX之后,你才知道什么是真正的CISC,它的設(shè)計意圖是什么,它取得了什么收益。
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舉個例子。
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NEC SX的向量寄存器的寬度是256個Element,每個Element是64比特位寬的雙精度浮點數(shù)或者CRAY的浮點數(shù)格式,或者將其理解為Packed Data,即512個單精度浮點數(shù)。
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但他的實際執(zhí)行單元SIMD單元的位寬為4個或8個或16個或32個Element(從SX3到SX-Aurora一直在變化)。也就是說,單條指令可以讓執(zhí)行單元在十幾個或數(shù)十個時鐘周期內(nèi)都保持為Busy狀態(tài)。
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這大大減少了取指的開銷、分支預測的壓力,并且更容易做指令的調(diào)度、訪存的Merge等等。
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這才是CISC的精髓,它是為了提高硬件單元的利用率。而Intel的CISC呢?只是為了降低硬件成本而已。
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所以,你根據(jù)Intel的CISC去研究CISC,那不是被帶到溝里了嗎?
沒用過匯編的人,是沒有資格評價指令集優(yōu)劣的。
要想評價精簡指令集和復雜指令集在應用層面的優(yōu)劣,必須同時熟悉兩種指令集,并有過成熟的應用才可以,否則就是耍流氓!
精簡指令集最大的優(yōu)勢是設(shè)計和制造環(huán)節(jié),在應用層面,復雜指令集完勝,不接受反駁!
RISC才是王道
至少在通用處理器領(lǐng)域,復雜指令集不是要過時了,而是已經(jīng)過時了不知道多少年了。
早期CPU多傾向于提供較為復雜的指令試圖幫助用戶更自然地使用計算機,傾向于提供較少的寄存器而在指令中使用很多內(nèi)存操作數(shù)。這種指令集如今被稱為復雜指令集(CISC)。但是,后來研究者發(fā)現(xiàn),復雜的指令利用率并不高,大部分時候計算機執(zhí)行的都是簡單指令,同時使用大量內(nèi)存操作數(shù)的指令執(zhí)行很慢(內(nèi)存速度增長和CPU速度增長間存在剪刀差)。于是,為了進一步提高處理器速度,精簡指令集(RISC)被提出了。RISC傾向于提供專門的load store指令進行訪存,運算指令只使用寄存器操作數(shù),將慢速操作和快速操作分離;同時,RISC傾向于提供更多通用寄存器(得益于編譯技術(shù)的進步,精簡指令集提出時編譯器有能力充分利用RISC提供的眾多寄存器),這使得訪存總次數(shù)得到了有效降低,大量計算可以僅在CPU內(nèi)寄存器間完成。同時,RISC技術(shù)還讓指令更利于流水線操作,可以利用流水線技術(shù)提高處理器性能。
現(xiàn)在存在的所謂CISC處理器,如x86,其內(nèi)部也已經(jīng)將復雜指令拆成近似RISC的微指令再去執(zhí)行。他們之所以仍保留CISC的表象,只是為了兼容原有軟件。
以上內(nèi)容在各類計算機組成原理、體系結(jié)構(gòu)課本中不難找到說明,有興趣者最好參考有關(guān)書籍而非可能不那么精確的網(wǎng)上回答。
自主設(shè)計的CPU大多采用RISC指令集也不奇怪。CISC的ISA大多很難獲得授權(quán),RISC中MIPS、RISC-V、Alpha甚至ARM的授權(quán)都算相對容易獲得。在不打算另起爐灶完全從頭開始打造軟件生態(tài)的情況下兼容已有標準實現(xiàn)這些RISC風格ISA的選擇非常自然。RISC的ISA設(shè)計還免去了將CISC的指令拆成微指令組合再去做流水線這一繁雜過程,也有利于減輕處理器設(shè)計者的負擔。
隨著手機等移動設(shè)備功能越來越強大,傳統(tǒng)桌面電腦市場越來越萎縮,尤其精簡指令架構(gòu)開始進入服務器市場。復雜指令架構(gòu)應用會越來越少的。能耗和封閉性會慢慢侵蝕它的生命。
以前因為性能太低,所以用指令的復雜度來換取效率的提升,當前的芯片制程的不斷提高已經(jīng)可以允許精簡指令集也可以有不錯的效率了,所以整個業(yè)界都或多或少的重新拿起精簡指令集,并且愈來愈推崇。我們國家的芯片工業(yè)本來就薄弱,好處也是沒什么負擔,既然精簡指令集是未來方向,現(xiàn)在就著眼于更有未來前景的也無可厚非。
我們面對的不僅僅是編一套指令集,我們還要與CPU屆的巨無霸爭客戶(主要體現(xiàn)在架構(gòu)上),并且還得繞過別人的知識產(chǎn)權(quán)保護,相對于這三點來說,編一套指令集相對容易。
這么說吧精簡指令集是進化版本,是沒有歷史包袱的,英特爾AMDCPU是是在拋不開,沒辦法,可不要認為精簡就是復雜的閹割版哦,多的不說,就看游戲的電腦版和手機版有區(qū)別嗎
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