RISC和CISC

指令集体系结构是处理器体系结构的一部分，它是创建执行任何数学或逻辑操作的机器级程序所必需的。指令集体系结构充当硬件和软件之间的接口。它准备处理器响应用户给出的执行、删除等命令。

处理器的性能由其设计的指令集体系结构决定。由于处理器的功能需要软件和硬件，因此在决定哪一个应该起主要作用方面存在困境。像英特尔这样的大公司认为硬件应该扮演比软件更重要的角色。而苹果的观点是，软件应该在处理器架构中扮演主要角色。

两种主要的指令集体系结构是

1)复杂指令集计算(CISC)

2)简化指令集计算(RISC)

CISC体系结构

在早期，机器是用汇编语言编程的，内存访问也很慢。为了计算复杂的算术运算，编译器必须创建很长的机器代码序列。

这使得设计人员构建了一个访问内存频率较低的架构，减少了编译器的负担。因此，这导致非常强大的完整但复杂的指令集。

CISC体系结构直接使用内存，而不是注册文件。上图显示了带有微程序控制和缓存存储器的CISC体系结构。

这种体系结构使用缓存内存来保存数据和指令。因此，它们为指令和数据共享相同的路径。

CISC有可变长度格式的指令。因此，执行指令所需的时钟周期数可能是不同的。

CISC中的指令是由微程序执行的，微程序具有微指令序列。

让我们看看例子:两个数相加可计算如下。

加1:1,2:2

• 上面所示的指令分为若干个微指令。
• 最初，它将数据存储在两个单独的寄存器中，然后解码，最后执行
• 结果存储在MBR寄存器中。
• 在此之后，两个寄存器被自动清除。
• 因此，执行所有这些步骤需要一个复杂的电路。

CISC体系结构的优势

• 微编程很容易实现，而且比硬连接控制单元要便宜得多。
• 在不改变指令集结构的情况下，很容易向芯片中添加新命令，因为该体系结构使用通用硬件来执行命令。
• 这种体系结构可以有效地利用主内存，因为指令的复杂性(或更强的能力)允许使用更少的指令来实现给定的任务。
• 编译器不需要非常复杂，因为可以编写微程序指令集来匹配高级语言的构造。

CISC体系结构的缺点

• CISC处理器的新版本或后续版本由其子集(后续版本)中的早期一代处理器组成。因此，随着每一代处理器的发展，芯片硬件和指令集都变得越来越复杂。
• 由于时钟速度较慢，机器的整体性能降低。
• CISC设计中包含的执行许多功能的硬件和片上软件的复杂性。

CISC处理器的例子

1. IBM 370/168
2. 英特尔80486年
3. VAX - 11/780

简化指令集计算机(RISC)体系结构

尽管CISC减少了内存和编译器的使用，但它需要更复杂的硬件来实现复杂的指令。

在RISC体系结构中，简化了处理器的指令集，减少了执行时间。它使用小而高度优化的指令集，这些指令通常是寄存器对寄存器的操作。

通过使用更少的指令数量来提高执行速度。这使用管道技术来执行任何指令。

下图是RISC处理器的架构，它使用独立的指令和数据缓存，它们的访问路径也不同。在RISC处理器中，每个机器周期有一条指令。

流水线技术允许处理器同时处理指令的不同步骤，如获取、解码和执行指令。下图显示流水线技术中指令的执行情况。

通常，第二条指令只有在第一条指令完成后才开始执行。而在流水线技术中，每条指令都是由多个阶段同时执行。

当第一个指令的第一个阶段完成时，下一个指令进入第一个阶段。这个过程一直持续，直到所有指令都被执行完。

让我们看看例子:两个数字相加可以如下图所示。

加载,2:3

加载B, 5:2

和A、B

商店2:3,

• 从上面可以看出，加法在RISC处理器中需要四个步骤
• 虽然在RISC中需要许多指令，但这些指令完成执行所需的时间与在CISC中执行“ADD”所需的时间相同。
• 由于指令数量有限，控制单元的设计也很简单。

RISC处理器的例子

该体系结构包括alpha、AVR、ARM、PIC、PA-RISC和电源体系结构。

RISC架构的优势

• 由于简化了指令集，RISC处理器的性能通常是CISC处理器的2到4倍。
• 由于减少了指令集，这种架构使用更少的芯片空间。这使得在同一芯片上放置额外的功能，如浮点算术单元或内存管理单元。
• 这种在单个硅片上使用由更多组件组成的更小的芯片的架构降低了每个芯片的成本。
• RISC处理器由于其简单的体系结构，可以比CISC处理器设计得更快。
• 与CISC处理器相比，由于使用许多寄存器来保存和传递指令，因此RISC处理器中的指令执行量很高。

RISC架构的缺点

• RISC处理器的性能取决于正在执行的代码。当编译器在调度指令执行方面做得很差时，处理器在继续执行下一个后续指令之前要花很多时间等待第一个指令的结果。
• RISC处理器需要非常快的内存系统来提供各种指令。通常，在大多数基于RISC的系统中，芯片上提供了一个大的内存缓存。

RISC和CISC