RISC与CISC

RISC和CISC代表了两种截然不同的指令集设计理念：精简指令集计算机（RISC）倾向于使用少量简单、统一的寄存器到寄存器指令，而复杂指令集计算机（CISC）则提供许多功能强大、长度可变的指令，每条指令能完成更多操作。

Definition

RISC（精简指令集计算机）是一种设计理念，强调使用少量简单、固定格式的指令，并在加载-存储模型中执行；CISC（复杂指令集计算机）则强调使用大量功能更强大、通常长度可变的指令，包括内存到内存的操作。

Scope

本主题涵盖了这两种设计理念及其权衡：指令的简单性和规律性与丰富性和代码密度之间的权衡，RISC的加载-存储（load-store）机制，简单指令的流水线优势，以及现代高性能CISC实现如何将复杂指令在内部转换为类RISC的微操作。本主题不包括位级编码（指令格式和编码）和流水线实现细节（流水线和冒险）。

Core questions

• 哪些设计目标促使指令集精简为简单、统一的操作？
• 加载-存储机制如何区分RISC和CISC？
• 为什么简单、规律的指令更容易进行流水线处理？
• 现代x86处理器如何协调CISC指令集与类RISC的内部执行？

Key concepts

• 精简指令集
• 复杂指令集
• 加载-存储架构
• 固定长度与可变长度指令
• 微操作
• 编译器-硬件协同设计
• 代码密度

Key theories

RISC论点

Patterson和Ditzel认为，通过良好的编译器支持，少量简单指令的快速执行和高效流水线处理，其性能可以超越复杂指令集，因为复杂指令集中的复杂指令很少被使用且难以快速实现。

Mechanisms

RISC设计保持指令简单、固定长度且为寄存器到寄存器操作，并使用独立的加载和存储指令访问内存；这种规律性使得解码和流水线处理变得直接。CISC设计提供复杂、长度可变的指令，可以直接访问内存并执行多步操作。现代CISC实现将复杂指令解码为一系列更简单的内部微操作，然后由类RISC的核心执行。

Clinical relevance

RISC/CISC的区别塑造了主导的计算平台：ARM和RISC-V体现了RISC原则，并在移动、嵌入式以及日益增长的服务器和笔记本电脑市场中占据主导地位，而x86（一种具有类RISC内部结构的CISC指令集架构）长期主导着个人电脑和服务器。这场争论为当前关于能效、性能和软件生态系统的选择提供了参考。

History

RISC概念源于20世纪80年代初IBM 801研究以及伯克利RISC和斯坦福MIPS项目，并在Patterson和Ditzel于1980年发表的论文中得到了阐述。RISC思想通过SPARC、MIPS、PowerPC和ARM等商业设计得以传播。与此同时，x86通过采用类RISC的内部微操作得以存续，而开放的RISC-V指令集架构则重新激发了纯粹RISC设计的活力。

Debates

RISC与CISC之争是否仍然重要？

由于现代CISC芯片在内部以类RISC微操作执行，并且两者都共享流水线和缓存技术，一些人认为最初的区别已经消失；另一些人则认为指令集的规律性仍然会影响解码效率、功耗和验证。

Key figures

• David A. Patterson
• David R. Ditzel
• John L. Hennessy
• John Cocke

Seminal works

• patterson1980risc
• hennessy2019
• patterson2020

Frequently asked questions

RISC总是比CISC快吗？

并非必然。RISC的简洁性有助于流水线处理和高时钟频率，但CISC指令每条可以完成更多工作。实际上，高性能CISC处理器会将指令转换为类RISC操作，因此实际性能取决于整个微架构，而不仅仅是指令集架构的标签。

为什么ARM和RISC-V被称为RISC架构？

两者都使用少量简单、大多固定长度的指令，采用加载-存储内存模型和少量寻址模式——这些是RISC理念的定义性特征——这使得它们易于实现，并非常适合能耗受限和高吞吐量的设计。