现代处理器的主要指令集架构(ISA)包括:x86指令集架构、RISC指令集架构。
CISC尽可能将任务一次性做完,高效但费脑(性能高、功耗大);
RISC则是将任务拆解,分次做完,虽然对个人能力要求不高(性能低、功耗小),代价是效率更低。
其中,x86可以划分为x86-32(英特尔)、x86-64(英特尔)、AMD64(AMD)等三种。RISC可以划分为ARM、MIPS、Alpha、RISC-V。国产CPU在信创市场已形成“四种技术路径(x86、ARM、MIPS、Alpha)、六大主要厂商(兆芯、海光、鲲鹏、飞腾、龙芯、申威)”的发展格局。
第一个方面,x86指令集为了保持二进制的兼容性,即:上一代芯片的应用程序仍然能运行在下一代芯片中,使之前后系列的芯片成为一个“系列机”,扩展了许多新的指令,导致x86指令集的规模不断膨胀。
第二个方面,x86指令集在设计时,采取了一种强指令的方式,即:一条指令可以完成非常强大的功能。例如,一条指令可以完成内存不同位置的整个运算过程,或将一块数据直接从内存的一个位置移动到另一个位置,而且这种强大的操作是在1个时钟周期内完成的。
上图列出了英特尔官方统计的指令数量变化。在将近40年的发展历史中,x86由不足200条指令到今天超过1600条指令。
上图列出了x86指令集的MOV指令种类,其可以跳过一系列底层的微操作,实现一个较为复杂的指令功能。
基于以上的设计理念,x86指令集有以下的优点或缺点。注意,缺点也许是优点,优点也许是缺点,这是马克思辩证唯物主义的思想。
由于需要兼容以往的历史版本,x86的硬件设计复杂,这也成为了其历史包袱。但是,塞翁失马、焉知非福,二进制的兼容性获得了IBM的强力支持,让英特尔快速占领了PC和台式机市场。
一条指令的功能很强,这降低了对编译器的要求。另外,不需要考虑那么多的底层指令,早期的汇编程序员面对x86编程时也较为轻松。
多条高效率的指令并行,让单个核的性能强大。早期的处理器,单核架构足以满足应用需求。
必须要大量的冗余晶体管,以实现这种CISC复杂指令集设计。冗余的晶体管带来了大量的面积和功耗开销。
如今,x86指令集在笔记本、台式机、服务器等场景取得了近乎垄断的优势,和IBM有着紧密的联系。可以说,IBM的选择成就了x86指令集的今天,并成就了英特尔这家曾经名不见经传的小公司。
以上两段文字引自technews、半导体行业观察,其简要描述了IBM早期的选择及其巨大的市场成功。
在上世纪80年代,计算机科学家们分析了大量的程序,发现80%的指令是很少用到的,处理器频繁地使用20%的那部分指令,比如Load指令、条件分支指令、Store指令、比较指令。如下图所示,该表格引自《计算机体系结构:量化研究方法(第六版)》。作者是David Patterson、John Hennessy。
关于ARM深入知识,请参考文章“ARM处理器架构和天梯图解析”、“ARM v8处理器概述、架构、及技术介绍”、“飞腾系和鲲鹏系:国产Arm架构CPU服务器正在崛起”、“收藏:从全球超算战略看ARM指令架构在HPC领域的发展”、“亚马逊最新Arm服务器芯片详解”和“计算芯片变革:ARM取代x86成为趋势”等。
因此,早期的RISC指令集、MIPS指令集应运而生,它们砍掉了大量不常用的冗余指令,只保留了最基本、最常用、功能最简单的指令集合。基于这种RISC指令集设计的处理器架构代表是ARM架构,为了便于不同客户进行定制化修改,其每代均会推出以下三个授权版本:
相比于x86指令集(CISC复杂指令集),ARM这种RISC精简指令集的变化主要是:
第一个方面,原来大量的冗余指令,以及由于历史原因兼容的指令,都在统计结果的基础上予以删除。
第二个方面,原来的一条x86强指令,在ARM中被多条基本的简单指令替代。
举一个例子:CISC提供的乘法指令,调用时可完成内存a和内存b中的两个数相乘,结果存入内存a,需要多个CPU周期才可以完成;而RISC不提供“一站式”的乘法指令,需调用四条单CPU周期指令完成两数相乘:内存a加载到寄存器,内存b加载到寄存器,两个寄存器中数相乘,寄存器结果存入内存a。
基于以上的设计理念,或者说,在这样的底层逻辑下,ARM指令集的处理器架构有如下优点或缺点:
砍掉了大量的x86冗余硬件设计,使得DEC译码器的设计更加简单,节省了大量的面积和功耗开销。
一条ARM指令的功能更加单一和基本,这种指令相比于x86的强指令可以称之为”弱指令“,执行这样的弱指令所需的功耗进一步降低。
由于原来一条x86强指令就可以搞定的事情,在ARM这里需要多条弱指令组合来做,大幅提高了编译器的设计难度,同时提高了汇编语言编程的难度。
由于ARM指令集的处理器,相比于x86指令集的处理器,其在硬件结构上更加简单,因此,单个ARM核的面积和功耗更小,但是其性能也更弱小。这就导致了我们堆叠多个弱小的ARM核来打一个强大的x86核。
RISC架构随后经历了RISC-I(1981)、RISC-II(1983)、RISC-III(1984)到RISC-IV(1988)四代,却始终未能得到重视。但在这个过程中,RISC的设计理念催生一系列新架构如MIPS、IBM PowerPC以及现在统治移动边缘端的ARM。
关于RISC-V深入知识,请参考文章“RISC-V科普:理解开源ISA架构”、“玄铁RISC-V处理器入门及实践”、“开放指令集与开源芯片发展报告(RISC-V和MPIS)”、“关于RISC-V和开源处理器误区解读”、“深度:RISC-V指令集架构和全球落地”、“深度:RISC-V技术和指令集架构”和“深度报告:RISC-V架构分析(50页PPT)”。
21世纪初期,受当时开源运动在操作系统和应用软件领域取得了巨大成功(如Linux等)的影响,为开源芯片设计带来了崭新的前景。
大家认为,RISC-V有望创造继x86、Arm之后的第三波芯片浪潮。RISC-V的灵活性,对定制化、碎片化场景的支撑力度良好,因此目前主要应用于物联网等终端领域,但在电脑、服务器等领域也已经有了一些尝试。国内RISC-V发展重要事件有:
4、指令集总结
这两种指令集之间的关系就好比是两种不同的烹饪风格。有些厨房可能更偏向于复杂多样的烹饪方式,而有些厨房则更喜欢简单高效的烹饪方式。同样地,CPU的设计者可以根据不同的需求选择使用CISC或者RISC指令集来设计CPU,以满足不同的应用场景和性能要求。
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