復雜指令集CISC和簡單指令集RISC以及ARM和X86的區(qū)別

我們要明白CPU是一個執(zhí)行部件，它之所以能執(zhí)行，也是因為人們在里面制作了執(zhí)行各種功能的硬件電路，然后再用一定的邏輯讓它按照一定的順序工作，這樣就能完成人們給它的任務。也就是說，如果把CPU看作一個人，首先它要有正常的工作能力（既執(zhí)行能力），然后又有足夠的邏輯能力（能明白做事的順序），最后還要聽的懂別人的話（既指令集），才能正常工作。而這些集中在一起就構(gòu)成了所謂的“架構(gòu)”，它可以理解為一套“工具”、“方法”和“規(guī)范”的集合。不同的架構(gòu)之間，工具可能不同，方法可能不同，規(guī)范也可能不同，這也造成了它們之間的不兼容——你給一個意大利泥瓦匠看一份中文寫成的烹飪指南，他當然不知道應該干什么了。

如果還看不懂，沒關系，我們繼續(xù)。從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有非常多種架構(gòu)，從我們熟悉的X86，ARM，到不太熟悉的MIPS，IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即所謂的“復雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，也就是經(jīng)?？吹降?ldquo;CISC”與“RISC”。屬于這兩種類中的各種架構(gòu)之間最大的區(qū)別，在于它們的設計者考慮問題方式的不同。我們可以繼續(xù)舉個例子，比如說我們要命令一個人吃飯，那么我們應該怎么命令呢？我們可以直接對他下達“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。從這里可以看到，對于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能（即在硬件中實現(xiàn)對應的復雜功能），那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”，他就會吃飯。但是也有人認為這樣會讓事情變的太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時候想讓他吃菜怎么辦？難道繼續(xù)訓練他吃菜的方法？我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非?；镜牟襟E，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無非是下達命令的人稍微累一點——比如現(xiàn)在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡單。

這就是“復雜指令集”和“精簡指令集”的邏輯區(qū)別?？赡苡腥苏f，明顯是精簡指令集好啊，但是我們不好去判斷它們之間到底誰好誰壞，因為目前他們兩種指令集都在蓬勃發(fā)展，而且都很成功——X86是復雜指令集（CISC）的代表，而ARM則是精簡指令集（RISC）的代表，甚至ARM的名字就直接表明了它的技術(shù)：Advanced RISC Machine——高級RISC機。

到了這里你就應該明白為什么RISC和CISC之間不好直接比較性能了，因為它們之間的設計思路差異太大。這樣的思路導致了CISC和RISC分道揚鑣——前者更加專注于高性能但同時高功耗的實現(xiàn)，而后者則專注于小尺寸低功耗領域。實際上也有很多事情CISC更加合適，而另外一些事情則是RISC更加合適，比如在執(zhí)行高密度的運算任務的時候CISC就更具備優(yōu)勢，而在執(zhí)行簡單重復勞動的時候RISC就能占到上風，比如假設我們是在舉辦吃飯大賽，那么CISC只需要不停的喊“吃飯吃飯吃飯”就行了，而RISC則要一遍一遍重復吃飯流程，負責喊話的人如果嘴巴不夠快（即內(nèi)存帶寬不夠大），那么RISC就很難吃的過CISC。但是如果我們只是要兩個人把飯舀出來，那么CISC就麻煩得多，因為CISC里沒有這么簡單的舀飯動作，而RISC就只需要不停喊“舀飯舀飯舀飯”就OK。

這就是CISC和RISC之間的區(qū)別。但是在實際情況中問題要比這復雜許許多多，因為各個陣營的設計者都想要提升自家架構(gòu)的性能。這里面最普遍的就是所謂的“發(fā)射”概念。什么叫發(fā)射？發(fā)射就是同時可以執(zhí)行多少指令的意思，例如雙發(fā)射就意味著CPU可以同時拾取兩條指令，三發(fā)射則自然就是三條了?，F(xiàn)代高級處理器已經(jīng)很少有單發(fā)射的實現(xiàn)，例如Cortex A8和A9都是雙發(fā)射的RISC，而Cortex A15則是三發(fā)射。ATOM是雙發(fā)射CISC，Core系列甚至做到了四發(fā)射——這個方面大家倒是不相上下，但是不要忘了CISC的指令更加復雜，也就意味著指令更加強大，還是吃飯的例子，CISC只需要1個指令，而RISC需要5個，那么在內(nèi)存帶寬相同的情況下，CISC能達到的性能是要超過RISC的（就吃飯而言是5倍），而實際中CISC的Core i處理器內(nèi)存帶寬已經(jīng)超過了100GB/s，而ARM還在為10GB/s而苦苦奮斗，一個更加吃帶寬的架構(gòu)，帶寬卻只有別人的十分之一，性能自然會受到非常大的制約。為什么說ARM和X86不好比，這也是很重要的一個原因，因為不同的應用對帶寬需求是不同的。一旦遇到帶寬瓶頸，哪怕ARM處理器已經(jīng)達到了很高的運算性能，實際上根本發(fā)揮不出來，自然也就會落敗了。

說到這兒大家應該也已經(jīng)明白CISC和RISC的區(qū)別和特色了。簡而言之，CISC實際上是以增加處理器本身復雜度作為代價，去換取更高的性能，而RISC則是將復雜度交給了編譯器，犧牲了程序大小和指令帶寬，換取了簡單和低功耗的硬件實現(xiàn)。但如果事情就這樣發(fā)展下去，為了提升性能，CISC的處理器將越來越大，而RISC需要的內(nèi)存帶寬則會突破天際，這都是受到技術(shù)限制的。所以進十多年來，關于CISC和RISC的區(qū)分已經(jīng)慢慢的在模糊，例如自P6體系（即Pentium Pro）以來，作為CISC代表的X86架構(gòu)引入了微碼概念，與此對應的，處理器內(nèi)部也增加了所謂的譯碼器，負責將傳統(tǒng)的CISC指令“拆包”為更加短小的微碼（uOPs）。一條CISC指令進來以后，會被譯碼器拆分為數(shù)量不等的微碼，然后送入處理器的執(zhí)行管線——這實際上可以理解為RISC內(nèi)核+CISC解碼器。而RISC也引入了指令集這個就邏輯角度而言非常不精簡的東西，來增加運算性能。正常而言，一條X86指令會被拆解為2～4個uOPs，平均來看就是3個，因此同樣的指令密度下，目前X86的實際指令執(zhí)行能力應該大約是ARM的3倍左右。不過不要忘了這是基于“同樣指令密度”下的一個假設，實際上X86可以達到的指令密度是十倍甚至百倍于ARM的。

最后一個需要考慮的地方就是指令集。這個東西的引入，是為了加速處理器在某些特定應用上性能而設計的，已經(jīng)有了幾十年的歷史了。而實際上在目前的應用環(huán)境內(nèi)，起到?jīng)Q定作用的很多時候是指令集而不是CPU核心。X86架構(gòu)的強大，很多時候也源于指令集的強大，比如我們知道的ATOM，雖然它的X86核心非常羸弱，但是由于它支持SSE3，在很多時候性能甚至可以超過核心性能遠遠強大于它的Pentium M，這就是指令集的威力。目前X86指令集已經(jīng)從MMX，發(fā)展到了SSE，AVX，而ARM依然還只有簡單而基礎的NEON。它們之間不成比例的差距造成了實際應用中成百上千倍的性能落差，例如即便是現(xiàn)今最強大的ARM內(nèi)核依然還在為軟解1080p H.264而奮斗，但一顆普通的中端Core i處理器卻可以用接近十倍播放速度的速度去壓縮1080p H.264視頻。至少在這點上，說PC處理器的性能百倍于ARM是無可辯駁的，而實際中這樣的例子比比皆是。這也是為什么我在之前說平均下來ARM只有X86幾十分之一的性能的原因。

打了這么多字，其實就是為了說明一點，雖然現(xiàn)在ARM很強大，但它距離X86還是非常遙遠，并沒有因為這幾年的進步而縮短，實際上反而在被更快的拉大。畢竟它們設計的出發(fā)點不一樣，因此根本不具備多少可比性，X86無法做到ARM的功耗，而ARM也無法做到X86的性能。這也是為什么ATOM一直以來都不成功的原因所在——Intel試圖用自己的短處去和別人的長處對抗，結(jié)果自然是不太好的，要不是Intel擁有這個星球上最先進的半導體工藝，ATOM根本都不可能出現(xiàn)。而ARM如果嘗試去和X86拼性能，那結(jié)果自然也好不到哪兒去，原因剛剛也解釋過了。不過這也不意味著ARM以后就只能占據(jù)低端，畢竟任何架構(gòu)都有其優(yōu)點，一旦有應用針對其進行優(yōu)化，那么就可以揚長避短。X86的繁榮也正是因為整個世界的資源都針對它進行了優(yōu)化所致。只要能為ARM找到合適的應用與適合的領域，未來ARM也未必不可以進入更高的層次。