CISC：Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機；

RISC：Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機；

一、背景知識

指令的強弱是CPU的重要指標，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結構講，指令集可分為復雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)兩部分。相應的，微處理隨著微指令的復雜度也可分為 CISC 及 RISC 這兩類。

CISC是一種為了便于編程和提高存儲器訪問效率的芯片設計體系。在20世紀90年代中期之前，大多數(shù)的微處理器都采用CISC體系，包括Intel 的 80x86 和 Motorola 的 68K 系列等。即通常所說的 X86 架構就是屬于 CISC 體系的。

RISC是為了提高處理器運行速度而設計的芯片設計體系。它的關鍵技術在于流水線操作（Pipelining）：在一個時鐘周期里完成多條指令。而超流水線以及超標量技術已普遍在芯片設計中使用。RISC體系多用于非 x86 陣營高性能微處理器CPU，像HOLTEK MCU系列等。

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。而ARM體系結構目前被公認為是業(yè)界領先的32位嵌入式 RISC 微處理器結構，所有 ARM 處理器共享這一體系結構。

因此我們可以從其所屬體系比較入手，來進行X86指令集與ARM指令集的比較。

二、CISC

1.CISC體系的指令特征

1) 使用微代碼。指令集可以直接在微代碼存儲器（比主存儲器的速度快很多）里執(zhí)行，新設計的處理器，只需增加較少的電晶體就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程序。

2) 龐大的指令集?？梢詼p少編程所需要的代碼行數(shù)，減輕程序員的負擔。高級語言對應的指令集：包括雙運算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存儲器以及存儲器到寄存器的指令。

2. CISC體系的優(yōu)缺點

1) 優(yōu)點：能夠有效縮短新指令的微代碼設計時間，允許設計師實現(xiàn) CISC 體系機器的向上兼容。新的系統(tǒng)可以使用一個包含早期系統(tǒng)的指令超集合，也就可以使用較早電腦上使用的相同軟件。另外微程序指令的格式與高級語言相匹配，因而編譯器并不一定要重新編寫。

2) 缺點：指令集以及芯片的設計比上一代產品更復雜，不同的指令，需要不同的時鐘周期來完成，執(zhí)行較慢的指令，將影響整臺機器的執(zhí)行效率。

三、RISC

1. RISC體系的指令特征

1) 精簡指令集：包含了簡單、基本的指令，通過這些簡單、基本的指令，就可以組合成復雜指令。

2) 同樣長度的指令：每條指令的長度都是相同的，可以在一個單獨操作里完成。

3) 單機器周期指令：大多數(shù)的指令都可以在一個機器周期里完成，并且允許處理器在同一時間內執(zhí)行一系列的指令。

2. RISC體系的優(yōu)缺點

1) 優(yōu)點：在使用相同的芯片技術和相同運行時鐘下，RISC 系統(tǒng)的運行速度將是 CISC 的2～4倍。由于RISC處理器的指令集是精簡的，它的內存管理單元、浮點單元等都能設計在同一塊芯片上。RISC 處理器比相對應的 CISC 處理器設計更簡單，所需要的時間將變得更短，并可以比CISC處理器應用更多先進的技術，開發(fā)更快的下一代處理器。

2) 缺點：多指令的操作使得程序開發(fā)者必須小心地選用合適的編譯器，而且編寫的代碼量會變得非常大。另外就是RISC體系的處理器需要更快的存儲器，這通常都集成于處理器內部，就是L1 Cache（一級緩存）。

四、綜合對比CISC和RISC

1. 指令的形成：CISC 因指令復雜，故采用微指令碼控制單元的設計，而RISC的指令90%是由硬件直接完成，只有10%的指令是由軟件以組合的方式完成，因此指令執(zhí)行時間上RISC較短，但RISC所須ROM空間相對的比較大，至于RAM使用大小應該與程序的應用比較有關系。

2. 尋址模式：CISC的需要較多的尋址模式，而RISC只有少數(shù)的尋址模式，因此CPU在計算存儲器有效位址時，CISC占用的匯流排周期較多。

3. 指令的執(zhí)行：CISC指令的格式長短不一，執(zhí)行時的周期次數(shù)也不統(tǒng)一，而RISC結構剛好相反，故適合采用流水線處理架構的設計，進而可以達到平均一周期完成一指令的方向努力。顯然的，在設計上RISC較CISC簡單，同時因為CISC的執(zhí)行步驟過多，閑置的單元電路等待時間增長，不利于平行處理的設計，所以就效能而言RISC較CISC還是占了上風，但RISC因指令精簡化后造成應用程式碼變大，需要較大的存儲器空間，且存在指令種類較多等等的缺點。

五、x86指令集和ARM指令集

1. X86指令集

?X86指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，后來的電腦中為提高浮點數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學協(xié)處理器以及使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486，但為了保證電腦能繼續(xù)運行以往開發(fā)的各類應用程序以保護和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。

除了具備上述CISC的諸多特性外，X86指令集有以下幾個突出的缺點：

通用寄存器組——對CPU內核結構的影響。X86指令集只有8個通用寄存器，所以，CISC的CPU執(zhí)行是大多數(shù)時間是在訪問存儲器中的數(shù)據(jù)，而不是寄存器中的。這就拖慢了整個系統(tǒng)的速度。RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術使寄存器資源得到充分的利用。

解碼——對CPU的外核的影響。解碼器（Decode Unit），這是x86 CPU才有的東西。其作用是把長度不定的x86指令轉換為長度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對于簡單的x86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復雜的x86指令則需要進行微解碼，并把它分成若干條簡單指令，速度較慢且很復雜。Athlon也好，PIII也好，老式的CISC的X86指令集嚴重制約了他們的性能表現(xiàn)。

尋址范圍小——約束了用戶需要。即使AMD研發(fā)出X86-64架構時，雖然也解決了傳統(tǒng)X86固有的一些缺點，比如尋址范圍的擴大，但這種改善并不能直接帶來性能上的提升。

2.ARM指令集

相比而言，以RISC為架構體系的ARM指令集的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復雜指令集少。當然處理速度就提高很多。ARM處理器都是所謂的精簡指令集處理機（RISC）。其所有指令都是利用一些簡單的指令組成的，簡單的指令意味著相應硬件線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對的使得一個指令所需的時間減到最短。而因為指令集的精簡，許多工作都必須組合簡單的指令來完成，而針對較復雜組合的工作便需要由編譯器(compiler) 來執(zhí)行，而 CISC 體系的X86指令集因為硬體所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個或是數(shù)個指令來代替，編譯器的工作因而減少許多。

除了具備上述RISC的諸多特性之外，可以總結ARM指令集架構的其它一些特點如下：

ARM的特點：

• 體積小，低功耗，低成本，高性能；

• 支持Thumb（16 位）/ARM （ 32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件；

• 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

• 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

• 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；

• 指令長度固定；

• 流水線處理方式；

• load-store結構。

ARM的一些非RISC思想的指令架構：

• 允許一些特定指令的執(zhí)行周期數(shù)字可變，以降低功耗，減小面積和代碼尺寸；

• 增加了桶形移位器來擴展某些指令的功能；

• 使用了16位的Thumb指令集來提高代碼密度；

• 使用條件執(zhí)行指令來提高代碼密度和性能；

• 使用增強指令來實現(xiàn)數(shù)字信號處理的功能。

六、小結

因此，大量的復雜指令、可變的指令長度、多種的尋址方式這些CISC的特點，也是CISC的缺點，因為這些都大大增加了解碼的難度，而在現(xiàn)在的高速硬件發(fā)展下，復雜指令所帶來的速度提升早已不及在解碼上浪費的時間。

除了個人PC市場還在用X86指令集外，服務器以及更大的系統(tǒng)都早已不用CISC了。x86仍然存在的理由就是為了兼容大量的x86平臺上的軟件。同時，它的體系結構組成的實現(xiàn)不太困難。

而RISC體系的ARM指令最大特點是指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少，大多數(shù)是簡單指令且都能在一個時鐘周期內完成，易于設計超標量與流水線，寄存器數(shù)量多，大量操作在寄存器之間進行。優(yōu)點是不言而喻的，因此，ARM處理器才成為是當前最流行的處理器系列，是幾種主流的嵌入式處理體系結構之一。

END

來源：StrongerHuang，作者：StrongerHuang

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