為什麼要從 ISA 談起#

寫應用程式時，我們鮮少思考 CPU 內部到底在做什麼。但要理解效能、除錯與跨平台移植，就不能跳過 ISA（Instruction Set Architecture，指令集架構）這層軟體與硬體之間的契約。本章從馮紐曼架構談起，再對照 CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜指令集電腦）與 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集電腦）兩條設計路線。

馮紐曼架構#

1945 年 6 月 30 日，馮紐曼（Von Neumann）與工作夥伴在曼哈頓計畫中使用了當時最先進的電腦 Mark I 與 ENIAC 進行大量運算。在使用過程中，他意識到「儲存程式」的重要性，從而在論文 First Draft of a Report on the EDVAC 中提出了儲存程式邏輯架構，後人將這個架構稱為 Von Neumann architecture。

在計算機剛發展的年代，電腦只能處理特定問題：電路執行狀態固定，要更動功能就得重新接線甚至改結構。馮紐曼提出的架構顛覆了整個世界：

• 透過 ISA 將「運算」轉化為一連串程式指令的執行細節（可以想成今日的組合語言）
• 把指令當成一種特別型態的靜態資料，使得電腦可以輕易改變其程式
• 程式甚至能在執行期自行修改自己的內容

程式自我修改這項特色已被現代程式設計揚棄，因為它會增加理解與除錯的難度，且現代 CPU 的管線與快取機制會讓此類技巧效率降低。

儲存程式型電腦的特點#

• 以運算單元為中心
• 採用儲存程式原理
• 記憶體是按位址存取、線性編址的空間
• 控制流由指令流產生
• 指令由操作碼（opcode）和位址碼組成
• 資料以二進位編碼（Binary Code）

CISC 與 RISC#

處理器的指令集主要分為兩類。

CISC（Complex Instruction Set Computer）#

代表性架構：

• x86
• PDP-11
• Motorola 68000

除了上述三個之外，還有非常多的電腦製造商投入 CISC 架構的設計，但當今市場仍被廣泛使用的只剩 x86。

RISC（Reduced Instruction Set Computer）#

RISC 架構的特點：

• 指令長度固定，CPU 更容易做解碼
• 盡可能將資料放在 CPU 的暫存器中操作
• 處理器的硬體簡化，所以時脈容易提高且更省電
• 因為複雜的指令皆由多個基本指令組成，對於記憶體的開銷更大

知名的 RISC 架構：

• ARM：過去稱作 Advanced RISC Machine（更早稱作 Acorn RISC Machine），是一個精簡指令集處理器架構家族，廣泛使用在許多嵌入式系統設計。由於低成本、高效能、低耗電的特性，現今的行動裝置幾乎都使用 ARM 提供的處理器架構解決方案（高通、三星、蘋果）。ARM 主要採用 IP 授權的販售方式。
• MIPS：由 MIPS 公司開發並授權的精簡指令集架構，廣泛使用在許多電子產品、網路裝置、個人娛樂裝置與商業裝置上。最早是 32 位元，最新版本為 64 位元，主要競爭對手是 ARM 與 RISC-V。2021 年初 MIPS 公司宣布投入 RISC-V 開發，一代豪傑就此謝幕。
• RISC-V：基於精簡指令集原則的開源指令集架構，可視為開源軟體運動相對應的「開源硬體」。專案 2010 年始於加州大學柏克萊分校，但許多貢獻者來自學界以外。RISC-V 指令集可以自由地用於任何目的，允許任何人設計、製造和銷售 RISC-V 晶片和軟體而不必支付專利費。

由於 ARM 高昂的權利金讓學界或新創很難設計出解決方案，這也是開源 RISC 架構誕生的契機。本系列後續探討現代處理器的文章都會以 RISC-V 架構作為教材。

現代處理器的趨勢#

最初處理器都是 CISC 架構。隨著時間推演，設計者將越來越多的運算指令塞進架構中。以 x86 為例：最初一定會有基本的運算指令、浮點數運算指令，後來陸續加入 MMX、SSE、AVX⋯ 等擴充。為了支援這些指令集，設計者勢必要將更多的硬體放入處理器中，功耗就成了 CISC 最頭痛的問題。

撇開功耗不說，CISC 架構中約 20% 的指令會經常被使用，且佔整體程式的 80%——多數指令其實佔據了處理器的硬體資源卻鮮少被使用。

1979 年，加州大學柏克萊分校的 David Patterson 教授提出了將指令集架構精簡化的想法：硬體應該專心加速常用的指令，剩下較為複雜的指令可以利用基本指令做組合。

CISC 與 RISC 的界線正在模糊#

現今 RISC 與 CISC 不再有顯著的差異：

• RISC 處理器的硬體設計與指令隨著時間越來越複雜
• CISC 處理器則採用微碼（microcode）來實現複雜指令集

這點最早可以追溯到 Intel 的 Pentium Pro 處理器，其 micro-operation（micro-op，uop）奠定今日高速 x86 設計的基礎：CISC 的指令被解碼成多個內部 RISC-like 的 uop，再交給後端執行。

設計取捨速覽#

理解這層差異後，後續看編譯器產生的組合語言、最佳化技巧與處理器設計時，比較容易掌握「為什麼這個架構要這樣做」。

原文出處#

• 原書/iThome：https://ithelp.ithome.com.tw/articles/10264826