arm指令系统（RISC|CISC）

Posted 2020-07-27 lphwork

一：
CISC（Complex Instruction Set Computer）复杂指令计算机 CISC是台式计算机系统的基本处理部件，每个微处理器的核心是运行指令的电路。指令由完成任务的多个步骤所组成，把数值传送进寄存器或进行相加运算。CISC是一种执行整套计算机指令的微处理器，起源于80 年代的MIPS主机（即RISC 机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。
二：
RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机（即RISC机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。
　　纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。第一台得益于这个发现的电脑是1980年IBM的PC/XT。再后来，IBM的RISC System/6000也使用了这个思想。RISC这个词本身属于伯克利加利福尼亚大学的一个教师David Patterson。RISC这个概念还被用在Sun公司的SPARC微处理器中，并促成了现在所谓的MIPS技术的建立，它是Silicon Graphics的一部分。许多当前的微芯片现在都使用RISC概念。
　　RISC概念已经引领了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考虑到：指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上（理想情况下，一条指令应在一个时钟周期内执行完）；体系结构需要多“简单”；以及在不诉诸于软件的帮助下，微芯片本身能做多少工作等等。
　　除了性能的改进，RISC的一些优点以及相关的设计改进还有：
　　@如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂，那么其开发与测试将会更快。
　　@使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现，使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。
　　@RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。
　　@比起从前，高级语言编译器能产生更有效的代码，因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。
　　除了RISC，任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算（CISC）。
　　RISC典型范例如：MIPS R3000、HP—PA8000系列，Motorola M88000等均属于RISC微处理器。
　　RISC主要特点：
　　RISC微处理器不仅精简了指令系统，采用超标量和超流水线结构；它们的指令数目只有几十条，却大大增强了并行处理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构，这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。
　　RISC处理器是当今UNIX领域64位多处理机的主流芯片
　　性能特点一：由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行；
　　性能特点二：采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理速度；
　　性能特点三：采用缓存—主机—外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。
　　应用特点；由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的Power PC G4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUN Microsystem公司的Ultra SPARC ║。
　　运行特点：
　　RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳多部并行操作。在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字（VLIW）微处理器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处理速度。
　　RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：
　　（1） 指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。
　　（2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。
　　（3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。
　　（4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。
　　（5） CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。
　　（6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。
　　（7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。
　　（8） 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。
　　目前常见使用RISC的处理器包括DEC Alpha、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH等。
三（RISC与CISC比较）：
RISC的设计重点在于降低由硬件执行指令的复杂度，因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能，因此RISC设计对编译器有更高的要求；CISC的设计则更侧重于硬件执行指令的功能，使CISC的指令变得很复杂。总之RISC对编译器的要求高，CISC强调硬件的复杂性，CPU的实现更复杂。

RISC设计思想准则：

1． 指令集—-RISC处理器减少指令集的种类，通常一个周期一条指令，也就是说指令的周期是固定的，编译器或程序员通过几条指令完成一个复杂的操作；CISC的指令长度通常不固定。

2． 流水线—-流水线的本质就是CPU并行运行，只是并行运行不像FPGA中的那么直接，它只是把一条指令分成几个更小的执行单元；CISC指令的执行需要调用一个微程序，明显没有RISC的指令吞吐量大。

3． 寄存器—-RISC的寄存器拥有更多的通用寄存器，寄存器操作较多，例如ARM具有27个寄存器，CISC的寄存器都是用于特定目的的。

4． Load-store结构—-处理器只处理寄存器中的数据，这是因为访问存储器很耗时，同时对外部存储器的读写会影响其寿命；CISC能够在存储器中直接运行

5． 寻址方式简化，不像CISC那样的复杂众多的寻址方式

一、背景知识：
指令的强弱是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两部分。相应的，微处理随着微指令的复杂度也可分为CISC及RISC这两类。
CISC是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的晶片设计体系。在20世纪90年代中期之前，大多数的微处理器都采用CISC体系——包括Intel的80x86和Motorola的68K系列等。 即通常所说的X86架构就是属于CISC体系的。 RISC是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系。它的关键技术在于流水线操作（Pipelining）：在一个时钟周期里完成多条指令。而超流水线以及超标量技术已普遍在晶片设计中使用。RISC体系多用于非x86阵营高性能微处理器CPU。像HOLTEK MCU系列等。 ARM （ Advanced RISC Machines ），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。而ARM体系结构目前被公认为是业界领先的32 位嵌入式RISC 微处理器结构。 所有ARM处理器共享这一体系结构。 因此我们可以从其所属体系比较入手，来进行X86指令集与ARM指令集的比较。
二、CISC和RISC的比较
（一）CISC

1．CISC体系的指令特征 使用微代码。指令集可以直接在微代码记忆体（比主记忆体的速度快很多）里执行，新设计的处理器，只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式。 庞大的指令集。可以减少编程所需要的代码行数，减轻程式师的负担。高阶语言对应的指令集：包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到记忆体以及记忆体到寄存器的指令。
2．CISC体系的优缺点 优点：能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器的向上相容。新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合，也就可以使用较早电脑上使用的相同软体。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配，因而编译器并不一定要重新编写。 缺点：指令集以及晶片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。
（二）RISC

1．RISC体系的指令特征 精简指令集：包含了简单、基本的指令，透过这些简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令。 同样长度的指令：每条指令的长度都是相同的，可以在一个单独操作里完成。 单机器周期指令：大多数的指令都可以在一个机器周期里完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。
2．RISC体系的优缺点 优点：在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系统的运行速度将是CISC的2～4倍。由于RISC处理器的指令集是精简的，它的记忆体管理单元、浮点单元等都能设计在同一块晶片上。RISC处理器比相对应的CISC处理器设计更简单，所需要的时间将变得更短，并可以比CISC处理器应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。 缺点：多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快记忆体，这通常都集成于处理器内部，就是L1 Cache（一级缓存）。 综合上面所述，若要再进一步比较CISC与RISC之差异，可以由以下几点来进行分析：

1、指令的形成 CISC因指令复杂，故采微指令码控制单元的设计，而RISC的指令90%是由硬体直接完成，只有10%的指令是由软体以组合的方式完成，因此指令执行时间上RISC较短，但RISC所须ROM空间相对的比较大，至于RAM使用大小应该与程序的应用比较有关系。
2、定址模式 CISC的需要较多的定址模式，而RISC只有少数的定址模式，因此CPU在计算记忆体有效位址时，CISC占用的汇流排周期较多。
3、指令周期 CISC指令的格式长短不一，执行时的周期次数也不统一，而RISC结构刚好相反，故适合采用管线处理架构的设计，进而可以达到平均一周期完成一指令的方向努力。显然的，在设计上RISC较CISC简单，同时因为CISC的执行步骤过多，闲置的单元电路等待时间增长，不利于平行处理的设计，所以就效能而言RISC较CISC还是站了上风，但RISC因指令精简化后造成应用程式码变大，需要较大的程式记忆体空间，且存在指令种类较多等等的缺点。
4．大量使用寄存器

（三）X86指令集和ARM指令集：
(1) X86指令集： X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的，后来的电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器另外使用X87指令，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集，所以它的CPU仍属于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。 除了具备上述CISC的诸多特性外，X86指令集有以下几个突出的缺点：
l 通用寄存器组————对CPU内核结构的影响 X86指令集只有8个通用寄存器。所以，CISC的CPU执行是大多数时间是在访问存储器中的数据，而不是寄存器中的。这就拖慢了整个系统的速度。 RISC系统往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重叠寄存器窗口和寄存器堆等技术使寄存器资源得到充分的利用。
l 解码————对CPU的外核的影响 解码器（Decode Unit），这是x86CPU才有的东西。其作用是把长度不定的x86指令转换为长度固定的类似于RISC的指令，并交给RISC内核。解码分为硬件解码和微解码，对于简单的x86指令只要硬件解码即可，速度较快，而遇到复杂的x86指令则需要进行微解码，并把它分成若干条简单指令，速度较慢且很复杂。Athlon也好，PIII也好，老式的CISC的X86指令集严重制约了他们的性能表现。
l 寻址范围小——约束了用户需要 即使AMD研发出X86-64架构时，虽然也解决了传统X86固有的一些缺点，比如寻址范围的扩大，但这种改善并不能直接带来性能上的提升。

(2) ARM指令集： 相比而言，以RISC为架构体系的ARM指令集的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多。ARM处理器都是所谓的精简指令集处理机（RISC）。其所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令意味着相应硬件线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所需的时间减到最短。 而因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程式』(compiler) 来执行，而 CISC 体系的X86指令集因为硬体所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，compiler 的工作因而减少许多。 除了具备上述RISC的诸多特性之外，可以总结ARM指令集架构的其它一些特点如下：
l ARM的特点
1． 体积小，低功耗，低成本，高性能
2． 支持 Thumb （ 16 位） /ARM （ 32 位）双指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件；
3． 大量使用寄存器，指令执行速度更快；
4． 大多数数据操作都在寄存器中完成；
5． 寻址方式灵活简单，执行效率高；
6． 指令长度固定；
7． 流水线处理方式
8． Load_store结构 l ARM的一些非RISC思想的指令架构： 1． 允许一些特定指令的执行周期数字可变，以降低功耗，减小面积和代码尺寸。 2． 增加了桶形移位器来扩展某些指令的功能。 3． 使用了16位的Thumb指令集来提高代码密度。 4． 使用条件执行指令来提高代码密度和性能。 5． 使用增强指令来实现数据信号处理的功能。

（四）小结： 因此，大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式这些CISC的特点，也是CISC的缺点，因为这些都大大增加了解码的难度，而在现在的高速硬件发展下，复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。除了个人PC市场还在用X86指令集外，服务器以及更大的系统都早已不用CISC了。x86仍然存在的理由就是为了兼容大量的x86平台上的软件，同时，它的体系结构组成的实现不太困难。 而RISC体系的ARM指令最大特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，寄存器数量多，大量操作在寄存器之间进行。优点是不言而喻的，因此，ARM处理器才成为是当前最流行的处理器系列，是几种主流的嵌入式处理体系结构之一。 RISC目前正如日中天，Intel似乎也将最终抛弃x86而转向RISC结构。 而实际上，随着RISC处理器在嵌入式领域中大放异彩，传统的X86系列CISC处理器在Intel公司的积极改进下也克服了功耗过高的问题，成为一些高性能嵌入式设备的最佳选择，发展到今天，CISC与RISC之间的界限已经不再是那么泾渭分明，RISC自身的设计正在变得越来越复杂（当然并不是完全依着CISC的思路变复杂），因为所有实际使用的CPU都需要不断提高性能，所以在体系结构中加入新特点就在所难免。另一方面，原来被认为是CISC体系结构的处理器也吸收了许多RISC的优点，比如Pentium处理器在内部的实现中也是采用的RISC的架构，复杂的指令在内部由微码分解为多条精简指令来运行，但是对于处理器外部来说，为了保持兼容性还是以CISC风格的指令集展示出来。