CPU体系结构CISC与RISC

逃离逃离逃离逃离x86x86x86x86架构架构架构架构-----CPU-----CPU-----CPU-----CPU体系结构体系结构体系结构体系结构CISCCISCCISCCISC与与与与RISCRISCRISCRISC之争之争之争之争x86架构诞生早在1981年，IBM公司推出了基于Intel8088处理器的个人电脑；和不久后的8086处理器相比，它是一台低价格，低性能的处理器。尽管在当时MotorolaMC69000处理器的性能也相当不错，但是IBM这样选择的理由是因为8088处理器已经能够对地址总线进行“复用”，并且总线宽度达到8位，和以往相比，大大减少了整个系统的开销。由于当时没有芯片组这一概念，因此数据和指令的存储和读取都要依靠主板上的特殊门电路，这些部件也是8位的宽度。如果使用MortolaMC69000处理器的话，那么在相同功能的情况下，主板需要更多的此类部件，因此大大增加了主板的制造成本。尽管有人建议，MortolaMC69000有助于系统性能的提高，但是IBM固守“简单就是美”的原则，毅然选择了8088处理器。IBM的“生死抉择”却给软件开发者带来灾难性的影响（当时没有充分意识到）。由于处理器采用了808X的架构，因此数据和代码只能在64KB的范围内进行访问。如果某一个程序需要使用超过64KB的内存，那么程序不得不使用16位的段地址和16位的偏移地址组合，来达到20位的数据访问范围。当时的程序员就为16位到20位的地址转化伤透了脑筋。在程序的编译过程中，也引进了相应的内存使用模式（小型，中型，大型，巨型）。系统集成的汇编语言在程序编写时，必须指明是近程调用（nearcall）还是远程调用（farcall）。如果要把8088处理器的程序移植到如MC68000机时，就必须把地址扩展成32位，这个过程非常繁琐。尽管64KB的限制是IBM个人电脑的一个死穴，但是当时IBMPC的市场销售额非常不错。8088处理器和DOS操作系统能够支持大部分的应用软件，因此IBM的个人电脑推出不久就受到各界的好评；而对于64KB的限制，人们似乎没有太多的关注。随着PC的成功推出，IBM着手于X86系统架构标准的制定，并且希望成为全球最大的电脑制造商。Intel和Microsft都参与了此标准的定制，并且携手进行个人电脑的开发。第一个x86架构的“婴儿”便是于1985年推出的32位的80386处理器（386处理器）。当时，大部分的操作系统（或者准操作系统）还是16位模式，因此程序员也必须进行地址的转化，这个令人厌烦的转化工作直到Microsoft公司发布了第一款32位的操作系统Windows95时，才得以解决。Windows95是第一款使用32位地址的操作系统，它能够对32位空间的数据进行读写操作，并且80386处理器的内部有7个通用寄存器（GPRS）。从19世纪80年代开始，X86架构快速的发展着。同时，RISC（精简指令集）架构也受到人们的关注，并且有不少成功的产品，如SPARC，PA－RISC，MIPS等。从价格上而言，X86架构的PC机最便宜；而那些基于RISC处理器的大型机价格昂贵。但是在架构上，PC机和大型机有非常多的相同点，它们都有着良好的软件支持，并且集成汇编语言。它们之间第二个相似点就是PC和大型机的档次通常用以整体的性价比来决定，而不是只决定于CPU的处理能力。可靠性，可用性，和功能性是用于衡量机器性能的主要标准。PC机和大型机的定位也相当的明确，在1980年，一台PC机的价格只要几百美元，而大型机的架构至少要上千美元；在功能上，PC机定位于整数的运算，而大型机却是以浮点数的运算来衡量性能的高低。尽管PC机和RISC大型机在价格和功能上定位不同，但是在1990年初，SunMicrosystems公司推出了桌面的微型RISC系统“MicroSPARC”。为了能够稳固自身的地位，针对Sun公司这个行为，Intel公司不久后就推出了性能和MicroSPARC相当的PentiumPro处理器，PentiumPro处理器是X86架构发展过程中的一个里程碑。PentiumPro处理器首先在x86体系中引入了“微指令”的概念，即一条指令能够完成原先几条指令的操作。在256KB二级缓存的协助下，微指令使得系统的整体性能有了突破性的飞跃。当时由0.35微米制成技术制造的PentiumPro处理器可以和原先任何一款RISC处理器叫板。在当时，PentiumPro的惊人性能在PC的制造界产生了巨大的影响，那些原先RISC的支持者不得不重新审视起x86架构来。尽管x86架构存在GPRS数量过少，串行的通讯指令过于复杂，内存操作不便等缺点，但是RISC的开发者们不得不承认，当时的RISC架构达不到PentiumPro的性能。揭开X86的真像随着经济的不断发展，x86处理器的应用范围越来越广，但是人们似乎渐渐忘却x86架构的不足。在x86架构的发展过程中，它微处理器（MPU）或多或少的占据着领先的地位。为了保持领先，个人电脑的发展似乎脱离了IBM原先“简单就是美”的初衷。CPU的制成技术快速的发展着，集成的晶体管数量也基本按照莫尔定律增加。当CPU集成的晶体管数量超过1百万后，“制成工艺”和“晶体管集成度”成为衡量系统性能的另一个标准。同时，基于RISC处理器的大型机也不懈的发展着，尽管在制成技术上不及X86架构，但是它的整数和浮点数性能要高于X86架构。以下是1993年至今，x86性能和RISC的比值。图x86/RISC性能比vs制成工艺上图分为两个部分，上半部分是x86/RISC的性能比。可以看出，在整体上，RISC的性能要高于x86（x86/RISC1）,但是它们之间的差距正在逐渐减少。其中PentiumPro，P4/1.5，P4/3.06这几款CPU的性能已经超过了同期RISC处理器的性能。图的下半部分是x86和RISC制成工艺的对比。PentiumPro推出时，x86架构系统和RISC处理器系统的分工就相当的明确。RISC系统针对高端的服务器市场，CPU和所有的部件都必须确保系统的“稳定性”，即使降低10％的性能也要尽可能的提高系统的稳定性。因此RISC处理器必须经过详细，严谨的设计，并且需要通过一系列严格的测试。因此大型机的CPU非常昂贵，每一代的CPU一般只推出2～3种不同频率的产品，因为企业不可能在系统升级上不断的投入昂贵的费用。相比之下x86架构系统主要针对个人用户和小型的商用系统。和RISC相比，x86的价格要低1～2个数量级，它主要是确保系统的性能，或者尽可能的提高系统的性价比。因此针对同一代的CPU，它会推出7～8种不同频率的产品。例如IntelNorthwoodPentium4的整个推出的过程中，一共发布了7种不同频率的产品。图产品推出力度对比上图清楚的表明，在同一代产品中，RISC系统一般只会推出2－3种产品，而X86架构会有7－8种的产品。因此后者的粒度要比前者细的多。这也说明RISC系统的CPU一旦设计定型，就会进行制造和测试，在产品最后发布之前，尽可能的改正设计中的错误，因为RISC昂贵的价格决定一旦CPU的设计存在问题，那么这就是一款失败的产品，在市场上就不会有立足之地。而x86的CPU价格较低，因此它不断推出的产品能够弥补以往设计中的不足，不同产品在于占领不同的市场。X86＝永恒？随着X86架构的不断成熟，人们逐步开始认识到其本身的限制和不足（例如32位的X86架构的寻址空间只有4GB），但是巨大的商业利益和强劲的软硬件的支持，使得x86的架构难以动摇。尽管在x86的发展历程中，也有不少的体系设计用于代替x86架构，但是它们都因为得不到广泛的支持，最终以失败告终。其中，影响较大的是以下3次“x86革命”。第一次革命：MIPS/ACE联盟1991年4月，Compaq,Microsoft,DEC,MIPS和一些小型的计算机公司成立了高级计算环境（ACE）小组,他们的目的在于使用基于RISC处理器的MIPS架构来取来现有的x86/IBM个人电脑。但是由于MPU上市日期的延迟，ACE小组的内部竞争，以及利益分成的问题，使得ACE小组的发展举步为艰，最后以失败而告终。第二次革命：Apple/IBM/Motorola(AIM)联盟同样在1994年4月底，AppleComputer,IBM和Motorola组成了AIM联盟，目的在于把RISC处理器用于个人电脑系统。Motorola和IBM联手对POWER架构进行重新设计，用于取代原先Macintosh系统中逐渐衰落的680X0CISC处理器。POWER架构给Mac系统带来了巨大的成功，它的性能要比原先的Mac大大提高。但是x86架构的发展始终要快于PowerPC，而且PowerPC没有任何的性价比优势，因此不多久，Mac机就在x86架构面前败下阵来。在Intel和Microsoft巨大的压力下，1994年8.3%的市场占有率也紧缩到目前的3%。第三次革命：DEC/Samsung1996年年底，DEC的芯片制造部门（原先的DigitalSemiconductor公司）发布布了21164PC。它是原先高性能处理器21164A（EV56）的PC版，因此价格较低，并且使用了微软的WindowsNT操作系统。由于缺少相应的软件支持，DEC开发了FX！32模拟器，它能够把原先X86的软件无缝的应用到21164PC平台。尽管CPU的价格低廉，但是支持21164PC的主板却非常昂贵。而且在当时，人们对NT操作系统并没有表现出多大的兴趣，因此21164PC慢慢的在X86架构发展中退出了历史舞台。上述例子中的MPU制造商失败的主要原因就是跟不上IntelCPU的发展速度。Intel不断进行着新型的CPU设计，并且以价格来争取市场；上述的三种新型CPU架构都是被Intel强大的马力所拖垮。其中，MIPS/ACE联盟主要是资金的问题，而AIM联盟的失败归咎于CPU的设计跟不上Intel的发展速度。Intel的自我革命目前的事实告诉我们，当今几乎不可能有其他的MPU制造商使用其他的系统结构，来挑战Intel现下兼容的X86平台；其他的芯片制造商也没有雄厚的资金和实力来和Intel公司进行抗衡。人们考虑：是否Intel公司自己会提出一种全新的架构；或者Intel是否会脱离IBM的x86标准来发展自身的Wintel体系架构（Wintel：Windows操作系统和Intel处理器）。近几年，Intel致力研究的Itanium处理器（IPFItaniumProcessorFamily）似乎有取代x86的趋势。Intel也宣布，Itanium会首先使用在服务器上，然后过渡到PC平台，最终在移动平台上实现。Intel的IPF主要针对RISC处理器原先占有的中高端服务器市场。Intel推出64位的处理器只是一个时间的问题，可能在目前而言，还为时过早；但是Intel的竞争对手AMD公司已经在今年推出了x86架构的扩展―――64的处理器和系统平台。AMD64位的架构并不是全新的架构，而是对原先32位的x86架构进行扩展，突破了4GB寻址空间的限制；但是64位的计算环境却在业界产生了巨大的影响，它成为IntelIPF技术的挑战者。姑且不论AMD64位架构推出时机是否合适，但是业界普遍认为64位的架构会在5年内成为主流的桌面PC架构，同时AMD的这一举措也加快了IPF处理器的推出。IPF技术是由Intel和惠普联合研制，取得了一定的成绩。但是目前的IPF处理器核心尺寸，电源功耗都决定了其不能使用在桌面系统上。IPF采用0.18微米的制成工艺，和AlphaEV（397mm2，125W），POWER4（415mm2，115W）相比，Itanium2处理器的尺寸为421mm2，电源功耗高达130W。在随后的，代号为Madison/Deerfield的Intanium2处理器中，Intel使用了0.13微米的制成工艺。1.3GHz的Itanium2处理器的最大发热量和2.66GHzNorthwoodP