RISC و CISC
يُشير مصطلحا RISC و CISC إلى فلسفتين متناقضتين لمجموعات التعليمات: تفضل حواسيب مجموعة التعليمات المخفضة (RISC) مجموعات صغيرة من التعليمات البسيطة والموحدة التي تعمل بين السجلات، بينما تقدم حواسيب مجموعة التعليمات المعقدة (CISC) العديد من التعليمات القوية والمتغيرة الطول التي تؤدي المزيد من العمل لكل تعليمة.
Definition
RISC (حاسوب مجموعة التعليمات المخفضة) هي فلسفة تصميم تركز على مجموعة صغيرة من التعليمات البسيطة ذات التنسيق الثابت التي تُنفذ في نموذج تحميل وتخزين؛ بينما تركز CISC (حاسوب مجموعة التعليمات المعقدة) على مجموعة أكبر من التعليمات الأكثر قوة، والتي غالبًا ما تكون متغيرة الطول، بما في ذلك عمليات الذاكرة إلى الذاكرة.
Scope
يغطي هذا الموضوع فلسفتي التصميم ومقايضاتهما: بساطة التعليمات وانتظامها مقابل ثرائها وكثافة الكود، ونموذج التحميل والتخزين (load-store discipline) في RISC، ومزايا الأنابيب (pipelining) للتعليمات البسيطة، وكيف تقوم تطبيقات CISC الحديثة عالية الأداء بترجمة التعليمات المعقدة إلى عمليات دقيقة شبيهة بـ RISC داخليًا. يستثني الموضوع التشفير على مستوى البت (تنسيقات التعليمات وتشفيرها) وتفاصيل تنفيذ الأنابيب (pipelining and hazards).
Core questions
- ما هي أهداف التصميم التي تحفز تقليل مجموعة التعليمات إلى عمليات بسيطة وموحدة؟
- كيف يميز نموذج التحميل والتخزين (load-store discipline) بين RISC و CISC؟
- لماذا تكون التعليمات البسيطة والمنتظمة أسهل في التنفيذ عبر الأنابيب (pipeline)؟
- كيف توفق معالجات x86 الحديثة بين مجموعة تعليمات CISC والتنفيذ الداخلي الشبيه بـ RISC؟
Key concepts
- مجموعة التعليمات المخفضة
- مجموعة التعليمات المعقدة
- بنية التحميل والتخزين
- تعليمات ذات طول ثابت مقابل متغير
- العمليات الدقيقة (micro-operations)
- التصميم المشترك للمترجم والعتاد
- كثافة الكود
Key theories
- حجة RISC
- جادل باترسون وديتزل بأن مجموعة صغيرة من التعليمات البسيطة، التي تُنفذ بسرعة وتُعالج بكفاءة عبر الأنابيب بدعم جيد من المترجمات، يمكن أن تتفوق على مجموعات التعليمات المعقدة التي نادرًا ما تُستخدم تعليماتها المعقدة ويصعب تنفيذها بسرعة.
Mechanisms
تحافظ تصميمات RISC على التعليمات بسيطة، ذات طول ثابت، وتعمل بين السجلات، مع تعليمات تحميل وتخزين منفصلة للذاكرة؛ هذا الانتظام يجعل فك التشفير والأنابيب أمرًا مباشرًا. توفر تصميمات CISC تعليمات معقدة ومتغيرة الطول يمكنها الوصول إلى الذاكرة مباشرةً وتنفيذ عمليات متعددة الخطوات. تقوم تطبيقات CISC الحديثة بفك تشفير التعليمات المعقدة إلى تسلسلات من العمليات الدقيقة الداخلية الأبسط التي يتم تنفيذها بعد ذلك بواسطة نواة شبيهة بـ RISC.
Clinical relevance
شكل التمييز بين RISC/CISC منصات الحوسبة المهيمنة: تجسد ARM و RISC-V مبادئ RISC وتتصدر في أسواق الأجهزة المحمولة والمضمنة، وبشكل متزايد في أسواق الخوادم وأجهزة الكمبيوتر المحمولة، بينما هيمنت x86 (بنية مجموعة تعليمات CISC ذات مكونات داخلية شبيهة بـ RISC) لفترة طويلة على أجهزة الكمبيوتر الشخصية والخوادم. يثري هذا النقاش الخيارات المستمرة حول كفاءة الطاقة والأداء والأنظمة البيئية للبرمجيات.
History
نشأ مفهوم RISC من أبحاث IBM 801 ومشاريع Berkeley RISC و Stanford MIPS في أوائل الثمانينيات، وتم توضيحه في ورقة باترسون وديتزل عام 1980. انتشرت أفكار RISC من خلال التصميمات التجارية مثل SPARC و MIPS و PowerPC و ARM. في غضون ذلك، نجت x86 من خلال اعتماد عمليات دقيقة داخلية شبيهة بـ RISC، وجددت بنية مجموعة التعليمات المفتوحة RISC-V الزخم لتصميم RISC النظيف.
Debates
- هل لا يزال التمييز بين RISC و CISC مهمًا؟
- نظرًا لأن رقائق CISC الحديثة تُنفذ داخليًا كعمليات دقيقة شبيهة بـ RISC، وكلا المعسكرين يشتركان في تقنيات الأنابيب والتخزين المؤقت، يجادل البعض بأن التمييز الأصلي قد تلاشى؛ بينما يرى آخرون أن انتظام مجموعة التعليمات لا يزال يؤثر على كفاءة فك التشفير والطاقة والتحقق.
Key figures
- David A. Patterson
- David R. Ditzel
- John L. Hennessy
- John Cocke
Related topics
Seminal works
- patterson1980risc
- hennessy2019
- patterson2020
Frequently asked questions
- هل RISC دائمًا أسرع من CISC؟
- ليس بالضرورة. بساطة RISC تسهل الأنابيب ومعدلات الساعة العالية، ولكن تعليمة CISC يمكن أن تؤدي عملًا أكبر لكل تعليمة. في الممارسة العملية، تقوم معالجات CISC عالية الأداء بترجمة التعليمات إلى عمليات شبيهة بـ RISC، لذا يعتمد الأداء المحقق على البنية الدقيقة بأكملها، وليس فقط على تسمية بنية مجموعة التعليمات (ISA).
- لماذا تُسمى ARM و RISC-V ببنى RISC؟
- يستخدم كلاهما مجموعات صغيرة من التعليمات البسيطة، ذات الطول الثابت غالبًا، مع نموذج ذاكرة تحميل وتخزين وعدد قليل من أوضاع العنونة — وهي السمات المميزة لفلسفة RISC — مما يجعلها فعالة في التنفيذ ومناسبة تمامًا للتصميمات المقيدة بالطاقة وذات الإنتاجية العالية.