六、CPU优化（1）CPU技术分类

一、指令架构分类1、RISC（reducedinstructionsetcomputer，精简指令集计算机） RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。这里的计算机指令系统指的是计算

一、指令架构分类

1、RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）

　　RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令，也就是CPU能够直接识别的指令。

　　因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。RISC能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。

　　纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。第一台得益于这个发现的电脑是1980年IBM的PC/XT。再后来，IBM的RISC System/6000也使用了这个思想。RISC这个概念还被用在Sun公司的SPARC微处理器中，并促成了现在所谓的MIPS技术的建立，它是Silicon Graphics的一部分。

　　RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳多部并行操作。

　　RISC体系多用于非x86阵营的高性能微处理器CPU。像HOLTEK MCU系列等。 ARM （ Advanced RISC Machines ）体系结构目前被公认为是业界领先的32 位嵌入式RISC 微处理器结构。微软公司于2011年宣布，下一版Windows（Windows 8）将正式支持ARM处理器。2012年10月AMD宣布将会设计基于64-bit ARM架构的处理器。

 

2、CISC（ComplexInstructionSetComputer，复杂指令系统计算机）

　　CISC指令由完成任务的多个步骤所组成，把数值传送进寄存器或进行相加运算。这些指令被称为微理器的微代码(microcode)，不同制造商的微处理器有不同的微代码系统，制造商可按自己的意愿使微代码做得简单或复杂。指令系统越丰富，香港服务器，微处理器编程就越简单，然而，执行速度也相应越慢。

　　一般CISC计算机所含的指令数目至少300条以上，有的甚至超过500条，庞大的指令系统使得控制器十分复杂，占用了大量CPU芯片面积。可是有些复杂指令又用得很少，难以用优化编译生成高效目标代码。处理器的执行效率不高，指令系统与软件之间语义差别越来越大，软件设计任务十分繁重，整个设计风格不是十分经济有效的。 

　　Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC体系的结构，从最初的8086到后来的Pentium系列，每出一代新的CPU，都会有自己新的指令，而为了兼容以前的CPU平台上的软件，旧的CPU的指令集又必须保留，这就使指令的解码系统越来越复杂。

 

3、比较 RISC 和 CISC 

　　RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有：

（1） 指令系统

　　RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。

（2） 存储器操作

　　RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。

（3） 程序

　　RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。

（4） 中断

　　RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。

（5） CPU

　　RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。

（6） 设计周期

　　RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。

（7） 用户使用

　　RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。

（8） 应用范围

　　由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。

 

4. VLIW（Very Long Instruction Word,超长指令集架构）

　　VLIW是美国Multiflow和Cydrome公司于20世纪80年代设计的体系结构，现在主要应用于Trimedia（全美达）公司的Crusoe和Efficeon系列处理器中。AMD最新的的Athlon 64处理器系列也是采用这一指令系统，包括其服务器处理器版本Operon。

　　VLIW体系结构采用多个独立的功能部件，每一个指令周期在没有相关存在并符合硬件条件的情况下可以同时流出多条指令，可同时流出的操作类型与数目是确定的，所以指令调度是由编译器静态调度完成（在其它方法中均由硬件实现的）以减少硬件开销，因此指令可同时流出的最大数目越大，超长指令字的性能优势就越明显。但是，只要是并行处理，就一定会受到更多相关性的限制。这种相关是有程序本身造成的，分为控制相关和数据相关两种，指令在调度时，必须遵循它们之间的依赖关系，防止冲突发生。

　　优点：简化了处理器的结构，删除了处理器内部许多复杂的控制电路，这些电路通常是超标量芯片（CISC和RISC）协调并行工作时必须使用的，VLIW的结构简单，也能够使其芯片制造成本降低，价格低廉，能耗少，而且性能也要比超标量芯片高得多。VLIW是简化处理器的最新途径，VLIW芯片无需超标量芯片在运行时间协调并行执行时所必须使用的许多复杂的控制电路。而是将许多这类负担交给了编译器去承担。

　　缺点：基于VLIW指令集字的CPU芯片使得程序变得很大，需要更多的内存。更重要的是编译器必须更聪明，一个低劣的VLIW编译器对性能造成的负面影响远比一个低劣的RISC或CISC编译器造成的影响要大。目前基于这种指令架构的微处理器主要有Intel的IA64和AMD64两种。