RISC-CPU-与CISC-CPU---的区别

CPU发展史CPU又叫中央处理器，是英文单词CentralProcessingUnit的缩写，其内部结构大概可以分为控制单元、算术逻辑单元和存储单元等几个部分。按照其处理信息的字长可以分为：八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。本文后面会提到许多比较艰生的理论知识，虽然我会努力把他们讲得生动浅显，但我确实没有办法让它象《还珠格格》那样有趣，不过你一定要把握住所有这些技术都是围绕突破速度极限而设立的，这是个万变不离其宗的道理。顺着这条路思索下去，你一定马上会问提高速度到底都有哪些方法呢？其实说起来很简单，科学家想到的地方，我们要留心也一定能发现得了。不外乎下面几种情况：优化指令集、提高处理器每个工作单元的效率、配置更多的工作单元或新的运行方式来增加并行处理能力、缩短运行的时钟周期以及增加字长等等。八位微处理器的典型产品为Intel公司的8080处理器、8086处理器、Motorola公司MC6800微处理器和Zilog公司Z80微处理器。十六位微处理器的典型产品是Intel公司的8086和80286微处理器。如果说8080处理器还不为各位所熟知的话，那么80286则可以说是家喻户晓了，个人电脑――PC机的第一代CPU便是从它开始的。三十二位微处理器的代表产品是Intel公司1985年推出的80386，这是一种全三十二位微处理器芯片。1989年Intel公司又推出准三十二位处理器芯片80386SX。它的内部数据总线为三十二位，与80386相同，外部数据总线为十六位。也就是说，80386SX的内部处理速度与80386接近，也支持真正的多任务操作，而它又可以接受为80286开发输入/输出接口芯片。80386SX的性能优于80286，而价格只是80386的三分之一。386处理器没有内置协处理器，因此不能执行浮点运算指令，如果您需要进行浮点运算时，必须额外购买昂贵的80387协处理器芯片。八十年代末九十年代初，486处理器面市，粗略的说486就是集成了浮点运算单元和8KB高速缓存（说是高速但比现在一般内存的速度也有相当差距）的386。早期的486分为有协处理器的486DX和无协处理器的486SX两种，其价格也相差许多。随着芯片技术的不断发展，CPU的频率越来越快，而PC机外部设备受工艺限制，能够承受的工作频率有限，这就阻碍了CPU主频的进一步提高。在这种情况下，出现了CPU倍频技术，该技术使CPU内部工作频率为处理器外频的2－3倍，486DX2、486DX4的名字便是由此而来。九十年代中期，全面超越486的新一代586处理器问世，为了摆脱486时代处理器名称混乱的困扰，最大的CPU制造商Intel公司把自己的新一代产品命名为Pentium（奔腾）以示区别。而AMD和Cyrix也分别推出了K5和6x86处理器。接下来Intel又为冲击服务器市场和争取多媒体制高点相继发布了PentiumPro和PentiumMMX。1．技术变迁，RISC取代CISC在现在来看第五代的微处理器的问世，应该算得上是PC个人电脑发展史上里程碑式的事件。然而这并非是因为它的速度较之以前有了本质的变化，主要原因是，从这里开始传统的X86指令集的CPU开始由CISC复杂指令集设计，转而开始采用部分RISC（简单指令系统计算机）技术。虽然从外观上这些CPU的指令依然复杂而且长度也参差不齐，但实际其内部的微指令已经是整齐化一的简单指令了。而由此也产生了两项全新的技术，超标量和流水线结构。接下来，我们简单介绍下他们的情况。（1）复杂指令集随着VLSI技术的发展，计算机的硬件成本不断下降，与此同时，软件成本却越来越高，这使得人们开始热衷于在指令系统中增加更多的指令以及让每条指令完成更复杂的工作，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便于高级语言的编译和降低软件成本。另外，为了做到程序兼容，同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条，也促使指令系统愈加复杂。于是我们就把这些计算机称为CISC（复杂指令系统计算机）。（2）简单指令集在发现了上述弊病以后，科学家们开始寻求解决办法。1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题。其结果发现，CISC电脑中，各种指令的使用频率相差悬殊，最常使用的一些比较简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。于是着眼于减少指令的执行周期数，简化指令使计算机结构更加合理并提高运行速度的RISC电脑开始出现。在80年代，由于PC机不能满足图形处理和科学计算等应用的需求，而大型机又非常昂贵，因此创造了工作站这种相对便宜的台式系统。但是，用于PC机的处理器不可能满足工作站的需求，所以提出RISC处理器的思想。因为通过研究发现，只有大约20%的指令是最常用的，把处理器能执行的指令数目减少到最低限度，对它们的执行进行优化，就可以极大地提高处理器的工作速度。一般来说，RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%～75%，同时RISC处理器更容易设计和纠错。目前，比较有影响的RISC处理器产品有Compaq公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的PowerPC、MIPS公司的MIPS和Sun公司的Sparc。下面将分别介绍它们的有关情况。Alpha处理器----Alpha处理器最早由DEC公司设计制造，在Compaq公司收购DEC之后，Alpha处理器继续得到发展，应用于许多高档的Compaq服务器上。从1995年开始有21164芯片，那时的工艺为0.5mm，主频达到200MHz。1998年，推出新型号21264，当时的主频是600MHz。MIPS处理器—一种流行的RISC处理器MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商。在RISC处理器方面占有重要地位。1984年，MIPS计算机公司成立。1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司。MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初，1986年推出R2000处理器，1988年推出R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后，又陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。之后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的新版本以及未来64位MIPS6420Kc处理器内核。为了使用户更加方便地应用MIPS处理器，MIPS公司推出了一套集成的开发工具，称为MIPSIDF（IntegratedDevelopmentFramework），特别适合嵌入式系统的开发。PA-RISC处理器：HP公司的RISC芯片PA-RISC于1986年问世。目前，他们正在开发HP的64位超标量处理器PA-8000系列。同时，HP公司与Intel公司合作开发的下一代芯片IA-64，在与原来PA-RISC和Intelx86系列芯片兼容的基础上，性能更会有飞跃性的提高。PA-8000系列芯片是从1996年开始提供的。第1款芯片的型号为PA-8000，主频达180MHz，后来陆续推出PA-8200、PA-8500和PA-8600等型号。HP公司正在开发64位微处理器PA-8700。此芯片将于2001年上半年正式投入器和工作站的使用。这种新型处理器的设计主频将达到800MHz以上。PA-8700使用的工艺是0.18mm绝缘硅（Silicon-On-Insulator，SOI）铜CMOS工艺，采用7层铜导体互连，芯片上的高速缓存达到2.25MB，比PA-8600增加了50%。这种新的0.18mm工艺降低了电压，从而使工作在较高频率下的芯片大大降低了功耗，工作温度也较低。此外，这种工艺使芯片几何尺寸更小，主频更高。因此，PA-8700计算速度高达每秒32亿次运算。而惠普现在安装的处理器就有PA-8800的微处理器。1997年对于所有Wintel体系的兼容CPU生产厂家而言，可算是悲喜交加的一年了。在这一年里的大部分时间里，Intel不但凭借其PentiumMMX（P55C）系列CPU仗剑天下，打得AMDK6和CyrixMII等芯片毫无还手之力，更有取得专利保护的Slot1主板的推出反观，其他的PC系统CPU生产厂家，由于不能继续在CPU接口上同Intel保持兼容，他们被逼上了绝境，前途一片暗淡。就在业界一致认为Intel行将一统江湖之时，Intel退出Socket7市场，为PC系统开发100MHz的新架构。当时Slot1市场还未完全成熟。首先，从386以来，AMD和Cyrix便一直跟跑在后，技术革新大都是是Intel出钱出力，最后又让他们来兼容，争夺市场。。再者说，业界在66MHz的外频下已经停留了很长时间，Socket7架构已经发展得十分成熟，如果从这里来提升系统外频，不但对新技术的运用有一定限制，而且其利润也不如新东西来得高。所以权衡再三，Intel终于做出了这个现在看来几乎不可思议的决定。由此一场波澜壮阔的芯际大战便拉开了序幕。Intel刚宣布退出Socket7市场，AMD就敏锐地抓住了这一百年不遇的良机，坚定的在Socket7架构上推出高频K6。并率先发难，带头提出了Super7架构，大有要和Intel分庭抗礼之势。于是本来最早由Intel提出的100MHz外频概念，成了AMD反击Intel的主要武器。各大系统芯片开发商也鼎力相助，VIA的MVP3、SIS的5591、ALI的AladdinⅤ等系统芯片组也如雨后春笋一般冒了出来，由于众志成城，开发措施得力，100MHz外频在Super7架构上比Slot1的440BX芯片组早进入市场。且其综合性能比在66MHz下要高出6.8%~15%左右（这主要归功于100MHz主频对前置总线的2级缓存的影响），反观Slot1架构却只有2%~5%的提升。100MHz外频这柄双刃剑终于砍伤了Intel自己。而AMD也因此声名大震。提一下作为CPU三大厂商之一的Cyrix。由于Cyrix一直把Intel估计得过于强大，从不犯错。所以，面对Intel的步步紧逼，他几乎不愿和Intel做任何正面交锋，甚至放缓了针对主流CPU市场的6x86MX系列CPU的开发，转而致力于研发多功能合一的MediaGX系列处理器。以至在97年底前后的风波中显得措手不及，毫无应变能力。随着AMD市场份额的扩大，而缩小了自己的市场。从486中最cool的芯，有些高烧的6x86，再到MediaGX，Cyrix一步步衰落了。介绍流水线结构打个比方最容易。请大家设想一下工厂里产品装配线的情况，在我们想要提高它的运行速度的时候，把复杂的装配过程分解成一个一个简单的工序，让每个装配工人只专门从事其中的一个细节，这样每个人的办事效率都会得到很大的提高，从而使整个产品装配的速度加快。这就是流水线的核心思想。（4）超标量技术如果说，流水线是依靠提高每个操作工人的效率来达到促进整体的结果的话，那超标量就纯粹是在增加工人的数量了。它通过重复设置大量的处理单元，并按一定方式连接起来，在统一的控制部件控制下，对各自分配的不同任务并行的来完成不同操作。由此近年来电脑微处理器发展的基石总算奠定了下来，接下来考虑的就是如何提高流水线的使用效率和研发更先进的并行技术了。就在Intel主流桌面市场全面告捷的同时，它已经开始了第一次冲击高端工作站和服务器市场的尝试。PentiumPro（简称P6）正是应此要求出现的，它一经问世，就获得了满堂喝彩。我们需要给予肯定的是P6的内核确实十分先进，就是现在的PentiumIII的核心也