[转发]CISC与RISC

在PC发展之初，除了成熟的CISC指令架构外，IBM没有更好的选择，原因很简单，更先进的RISC架构在1975年才出现，且只针对超级计算机领域，当时没有人意识到PC会有如此之大的发展，只是将它作为计算产品的一种补充而已。为图省事，IBM干脆就选择了Intel作为微处理器芯片的合作伙伴，而Intel所创立的X86指令系统便属于CISC架构。

我们有必要对指令架构、CISC、RISC之类的概念作明晰的解释。众所周知，微处理器的基本逻辑是运行指令的电路，计算机的任何一个程序都是由或多或少的基本指令组成，而指令本身又是由若干个微操作构成，例如对两个二进制数进行加减运算，或者将结果送进寄存器中等等。了解汇编语言或机器语言的读者对此应该比较清楚。这些基本指令被称为微处理器的微代码（Microcode），指令数量越多、完成微操作所需的逻辑电路就越多，芯片的结构就越复杂。每个处理器开发商都可以自己定义出一套指令系统，但如果指令系统不相同，构成软件的指令也不相同，这样就无法实现软件兼容。在专用计算机时代，这种情况十分普遍，各个计算机厂商都独立发展指令系统、微处理器、计算整机和软件，不同厂商的软硬件产品无法兼容使用，其原因就在于微处理器的指令系统采用不同的定义。然而，尽管当时指令系统种类甚多，它们却都归属于CISC架构—CISC的英文全称是Complex Instruction Set Computer，意为“复杂指令系统计算机”。它的特点是指令数量庞大臃肿，每个指令不管执行频度高低都处于同一个优先级，程序员的编程工作相对容易。但它的致命弊端是执行效率低下，处理器的晶体管被大量低效的指令所占据，资源利用率颇为低下。当IBM成功发展出RISC系统之后，CISC迅速被超级计算机所抛弃。但机缘巧合，它却在PC上获得新生，为了保持软件兼容，PC必须一直延续X86架构无法脱离（IBM将标准制定权让给Intel，最终葬送了自己在PC领域的前途）。后来加入微处理器战团的Cyrix、Rise、AMD、IDT等厂商无一不是如此，PC朝着X86道路渐行渐远，从8位、16 位、32位一直扩展到现在的64位，虽然它依然有旺盛的生命力，但背后的一系列缺陷也逐渐显现：芯片设计臃肿不堪，能源利用率低下，性能与晶体管规模相当的RISC产品根本不在一个水平线上。

图1 依据80/20法则划分的“冷代码”与“热代码”概念——前者占据X86指令总量的80%，后者只占据20%。与之相应，冷代码执行单元占据绝大多数硬件资源，而高度活跃的热代码执行单元所占据的硬件资源反而要少得多。PARROT优化之后，热代码执行单元被大大加强，冷代码单元则被相应缩减，在晶体管规模不变的前提下实现性能的跨越式提升。


相比之下，RISC（全称Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）则是一套优化过的指令架构，它是根据著名的80/20法则所订立。早在上个世纪60年代，计算机科学家们发现，计算机中80%的任务只是动用了大约20%的指令，而剩下20%的任务才有机会使用到其他80%的指令。如果对指令系统作相应的优化，就可以从根本上快速提高处理器的执行效率。IBM公司在1975年成功开发出第一款RISC处理器，从此RISC架构开始走进超级计算机中。由于指令高度简约，RISC处理器的晶体管规模普遍都很小而性能强大，深受超级计算机厂商所青睐。很快，许多厂商都拿出自己的RISC指令系统，除了IBM的Power和PowerPC 外，还有DEC的Alpha、SUN的SPARC、HP的PA-RISC、MIPS技术公司的MIPS、ARM公司的ARM等等。它的应用范围也远比 X86来得广泛，大到各种超级计算机、工作站、高阶服务器，小到各类嵌入式设备、家用游戏机、消费电子产品、工业控制计算机，都可以看到RISC的身影。只不过这些领域同普通消费者较为脱离，故而少为人知。

无论在执行效率、芯片功耗还是制造成本上，选择RISC都比沿用X86更加英明。我们不妨作一番实际的比较：目前Intel公司最快的处理器是 Prescott核心的Pentium 4 XE系列，它的晶体管总数在1亿7800万个以上，最高功耗达到130W，但它的运算能力不超过20GigaFlops（FLoating point Operations per Second，每秒浮点运算）。而目前最快的RISC处理器是IBM刚刚推出的Cell，它的晶体管总数为2.34亿个，在采用90纳米工艺制造时芯片面积为221平方毫米，但它的运算力高达2560GigaFlops，整整是Pentium 4 XE的128倍。Intel将在年中推出双核心的Smithfield，性能最多能有80%的提升，而芯片规模将达到与Cell相同的水平。由此可见，二者完全不是一个层面上的对手，X86指令系统的低效性在这里一览无遗。与此对应，RISC产品在成本上优势明显—半导体芯片的制造成本同芯片面积三次方成正比。在工艺相同的情况下，芯片面积大小取决于所集成的晶体管规模。RISC处理器核心精简、效率更高，只要很少的晶体管就能达到与X86产品媲美的效能，制造成本可大大低于现有的X86处理器。而小晶体管规模亦有助于保持较低的能耗值，RISC处理器在这方面表现相当杰出，现在的嵌入式设备几乎都采用 RISC产品，原因就在于这类产品的功耗值超低。

过去，PC钟情于X86的原因在于软件兼容，尤其是微软只为X86 PC开发Windows系统，这也被认为是PC采用RISC架构的最大障碍。这个障碍最终也将被解除，Linux操作系统逐渐发展成熟，Mac OS X的综合水准更远在Windows之上，办公、图形、网络、多媒体相关的各类跨平台应用软件极大丰富。如果你是一个游戏玩家，RISC平台一定会令你大呼过瘾，将于2005-2006年发布的索尼PS3、任天堂Revolution和微软XBOX2等新一代游戏机产品将全面转入RISC体系（有趣的是，三种游戏机都采用IBM所设计的处理器，指令系统相同），短时间内许多品质一流的配套游戏软件将会大量涌现。只要指令系统相同，这些游戏完全可以实现平滑移植。

单从技术角度考虑，以RISC取代X86作为PC的主力架构的确是非常英明的选择，更高的效率、更快的速度、更低的成本以及同样丰富的软件支持， RISC PC将展现出勃勃生机。然而，这一切似乎不容易实现，无论Intel、AMD还是微软，它们的辉煌成就都构建在X86的基础之上，转向RISC对它们来说无异于釜底抽薪。目前执著发展RISC PC的只有苹果公司，它们的全系列PC都基于IBM的PowerPC指令架构。不幸的是，尽管苹果公司大名鼎鼎，但它对整个市场的影响力极其有限，PC转向RISC最大的障碍不在于技术或兼容性，而是缺乏一个实质性的领导者，但有迹象表明，蓝色巨人对此有着强烈的意愿，RISC能否把握住PC的下一个三十年尽皆取决于它。

即便不采用RISC架构，我们仍然可以借助它的思想对X86处理器进行结构性改良。事实上，X86处理器一直都从RISC产品中获取灵感，包括 EV6总线、整合内存控制器、超线程技术、双核心等等新技术新概念都是首先在RISC产品中得到成功应用，之后才被Intel/AMD引入到X86处理器当中。实践证明，这种做法往往对X86处理器的性能提升有着决定性的影响，而从RISC汲取营养也就成为X86业界的习惯做法。

不过，上述这些技术改良都只停留在应用层面，指令体系的根本差异成为X86与RISC之间的壁垒，若能借助RISC理念对X86处理器进行结构性改良，也许可获取更大的效益。Intel在IDF技术峰会上提出的“PARROT”概念便充分体现了这种思想。PARROT的全称是“Power AwaReness thRough selective dynamically Optimized Traces”，从其名称不难得知，PARROT是一项借助“动态优化执行路径”来提高处理器执行效率的技术。它的理论基础也是著名的80/20法则，但与RISC不同，X86处理器无法从指令系统层面上实现这一点。，Intel另辟蹊径，提出了一个全新的发展思路，将20%的常用指令定义为“热代码（Hot Code）”，剩余的80%指令使用频率没那么高，被定义为“冷代码（Cold Code）”。对应的CPU也在逻辑上被划分为两个部分：一是热核（Hot Spot），只针对调用到热代码的程序；另一部分则是冷核（Cold Spot），负责执行20%的次常用任务。由于热核部分要执行80%的任务，设计者便可以将它设计得较为强大，占据更多的晶体管资源。而冷核部分任务相对简单，没有必要在它身上花费同样的功夫。理论上说，设计者可以将80%的晶体管资源用在热核上面，使之高效率执行任务，剩余的20%晶体管资源则用于仅完成20%任务的冷核。相比之下，现在的X86处理器完全没经过结构优化，所有指令地位对等，80%的次常用指令占据了大量的晶体管资源，又没有创造出相应的价值，芯片内只有20%的区域处于活跃状态，这显然不够科学。

“PARROT”创造了一种崭新的双核概念，过去我们谈论的双核心指的是在一枚芯片内集成两个对等的CPU内核，通过并行运算获得性能增益，我们可以将它看作是横向维度的对等设计。而“PARROT”则是一种纵向维度的双核理念，热核与冷核地位并不对等，且无法独立运作，只能说是一个CPU内核中的两部分分立逻辑。它所起到的是提高CPU的硬件资源利用率，以高执行效率达到高效能的目的，这种做法显然比目前业界鼓吹的“双核心”更具革命意义。我们不妨深入分析“PARROT”的微架构（图2所示），处理器执行管道被分为“冷管道（Cold Pipe）”和“热管道（Hot Pipe）”两部分，二者都拥有彼此独立的取指和执行单元，当处理器读取程序指令时，会预先对其作分析，以判定它是归属于“热代码”还是“冷代码”。若为活跃的“热代码”，则将其送入“热管道”逻辑进行高效处理；如果属于“冷代码”，那么将其送入“冷管道”逻辑处理，所得结果最终再作汇总输出。

图2 PARROT微架构，CPU被划分为相对独立的两个执行管道。


图3所示为“PARROT”处理器的详细执行路径情况，我们可以看到，“冷管道”部分相对简单，只有“指令缓存（Instruction Cache）”、“冷执行单元（Cold Execution）”和“分支预测单元（Branch Prediction）”，占据少量的晶体管即可。而“热管道”部分则显得相当复杂，它由“追踪缓存（Trace Cache）”、“追踪预测单元（Trace Prediction）”、“热执行单元（Hot Execution）”、“追踪优化（Trace Optimizer）”以及“追踪选择过滤＆构建（Trace Select Filter&Build）”等几大逻辑单元共同构成，每个逻辑都被设计得尽可能强大。计算结果生成之后，再由“同步合成单元（Synchronized Commit）”组合汇总，最后才通过前端总线输出给计算机内存，由此完成整个运算过程。

图3 基于PARROT思想的X86处理器逻辑结构—冷代码与热代码在执行阶段被彼此分离。


PARROT的新奇思路令人耳目一新，通过对执行单元的结构性优化，X86处理器可以说是获得了重生。设计者可以对“热核”部分进行大大强化，使之拥有更高的效能，在执行多数任务时用户都可感觉到立竿见影的性能提升，而对于冷核的必要压缩则大幅度节省了晶体管资源，并可达到明显降低芯片功耗的目的。设计者可以在晶体管规模不变的前提下，让X86处理器获得数倍的效能提升。毫无疑问，PARROT对于深陷困境的X86架构无疑是雪中送炭，X86处理器将因此出现跨越性的技术进步。而换个角度看，PARROT完全可以说是RISC思想的伟大胜利，80/20法则再度成为魔法的关键，只不过，上一次 IBM基于此建立了伟大的RISC指令系统，而这次是Intel在保持X86软件兼容的前提下，成功实现了对微处理器结构的优化，两种做法可谓是殊途同归。据悉，PARROT技术将在2007年开始进入实用，“Merom”将成为首款基于PARROT思想的处理器内核。大家一定看过这样的新闻：2007 年Intel的服务器处理器、桌面处理器和移动处理器都将采用“Merom”内核，无论性能还是功耗都将有出色的表现，我们有足够的理由对它寄以厚望。