CISC-Architektur

CISC-Architektur Complex Instruction Set Computing ist eine Designphilosophie für Computerarchitekturen, die einen großen und hochkomplexen Befehlssatz betont. Diese Anweisungen wurden entwickelt, um fortgeschrittenere Operationen auszuführen, die manchmal mehrere Operationen auf niedriger Ebene in einer einzigen Anweisung enthalten können. CISC zielt darauf ab, die Anzahl der Anweisungen zu reduzieren, die zum Ausführen einer Aufgabe benötigt werden, indem jeder Befehl vielseitiger und in der Lage ist, komplexe Operationen auszuführen, einschließlich Speichermanipulation, Arithmetik und Logik Operationen.

Während RISC (Reduced Instruction Set Computing) aufgrund seiner Einfachheit und Effizienz in vielen modernen Anwendungen dominant geworden ist, bleibt CISC in bestimmten Kontexten einflussreich. In der Vergangenheit waren CISC-Architekturen bei Pcs und Servern häufiger anzutreffen. Die Intel x86-Architektur ist das prominenteste Beispiel für eine CISC-Architektur, die nach wie vor in Desktops, Laptops und Servern weit verbreitet ist.

Ursprünge von CISC

CISC-Architekturen entstanden in den frühen Tagen des Rechnens, als die Hardwarefunktionen begrenzt waren und Software optimiert werden musste, um komplexe Aufgaben mit minimalem Code auszuführen. Die Idee war, einen Prozessor zu haben, der so viele Aufgaben wie möglich in einem einzigen Befehl ausführen kann, wodurch die Notwendigkeit zahlreicher einfacher Operationen reduziert wird. Frühe Mikroprozessoren wie der Intel 4004 und 8080 sowie der Motorola 6800 waren CISC-Prozessoren, obwohl sich die Natur von CISC im Laufe der Zeit weiterentwickelt und an moderne Anforderungen an Leistung und Energieeffizienz angepasst hat.

Hauptmerkmale der CISC-Architektur

Großer und komplexer Befehlssatz:

CISC-Prozessoren unterstützen eine Vielzahl von Befehlen, von denen viele komplexe Aufgaben ausführen können. Ein Befehl kann nicht nur eine grundlegende Operation (z. B. Addition oder Subtraktion) ausführen, sondern auch Daten aus dem Speicher laden, eine arithmetische Operation ausführen und das Ergebnis im Speicher speichern — alles in einem Befehl.
Dies steht im Gegensatz zu RISC (Reduced Instruction Set Computing), bei dem jeder Befehl typischerweise eine einfache, singuläre Aufgabe ausführt.

Anweisungen mit variabler Länge:

Im Gegensatz zu RISC-Prozessoren, die eine feste Befehlsgröße (häufig 32 Bit) verwenden, verwenden CISC-Prozessoren Befehle variabler Länge. Diese können von wenigen Bytes bis zu mehreren Bytes lang sein. Diese Variabilität ermöglicht eine effizientere Nutzung des Befehlsraums, da einfache Anweisungen weniger Bytes verwenden können, während komplexere Anweisungen mehr verwenden können.
Die Flexibilität von Befehlen variabler Länge ermöglicht es CISC-Prozessoren auch, eine größere Vielfalt von Aufgaben in weniger Befehlen zu bewältigen.

Speicher-zu-Speicher-Operationen:

Eines der bestimmenden Merkmale von CISC ist seine Fähigkeit, Speicher-zu-Speicher-Operationen auszuführen. In CISC kann ein Befehl eine Operation direkt im Speicher ausführen, ohne dass zuerst Daten in ein Register geladen werden müssen. Beispielsweise kann ein CISC-Prozessor eine Anweisung verwenden, um in Speicherplätzen gespeicherte Werte zu addieren und das Ergebnis wieder in den Speicher zu legen.
Dies steht im Gegensatz zur RISC-Architektur, bei der Daten zuerst in Register geladen werden müssen, bevor sie manipuliert werden können.

Mehrere Adressierungsmodi:

CISC-Prozessoren unterstützen eine Vielzahl von Adressierungsmodi. Adressierungsmodi definieren, wie auf die Operanden (die in Berechnungen verwendeten Werte) zugegriffen oder in Anweisungen angegeben wird. Einige gängige CISC-Adressierungsmodi umfassen sofortige, direkte, indirekte, indizierte und registerbasierte Adressierung.
Die Vielzahl der Adressierungsmodi in CISC ermöglicht mehr Flexibilität beim Zugriff und bei der Bearbeitung von Daten. Beispielsweise könnte ein Befehl direkt eine Speicheradresse angeben, einen Registerwert als Index für den Speicher verwenden oder eine Kombination aus beidem verwenden.

Effiziente Codedichte:

Einer der Hauptvorteile von CISC ist, dass es eine hohe Codedichte erreichen kann. Komplexe Anweisungen reduzieren die Notwendigkeit zahlreicher Anweisungen zur Ausführung einer einzelnen Aufgabe, was zu kompakterem Code führt. Dies kann besonders bei Systemen mit begrenztem Speicherplatz oder beim Versuch, die Größe kompilierter Programme zu reduzieren, von Vorteil sein.

Hardware-verwaltete Ausführung:

CISC-Prozessoren implementieren häufig komplexe Befehlsausführung direkt in Hardware, sodass sie anspruchsvolle Anweisungen ausführen können, ohne sich auf Software verlassen zu müssen, um sie in einfachere Vorgänge aufzuteilen. Dies steht im Gegensatz zu RISC-Prozessoren, bei denen Software und der Compiler eine wichtigere Rolle bei der Verwaltung der Komplexität der Anweisungen spielen.

Vorteile von CISC

Reduzierte Befehlsanzahl:

Einer der Hauptvorteile von CISC besteht darin, dass komplexe Anweisungen eine Reduzierung der Gesamtzahl der Anweisungen ermöglichen, die zum Ausführen eines Programms erforderlich sind. In vielen Fällen kann ein einzelner CISC-Befehl erreichen, was mehrere einfachere Befehle in einem RISC-System erfordern würde. Dies führt dazu, dass weniger Anweisungen geladen und ausgeführt werden müssen, was möglicherweise die Effizienz bei bestimmten Arten von Arbeitslasten verbessert.

Kleinere Codegröße:

CISC-Prozessoren können mehr Aufgaben in einem einzigen Befehl ausführen, was zu kleineren Programmgrößen führt. Dies ist besonders nützlich in Systemen mit begrenztem Speicher, wie z. B. eingebetteten Systemen oder älteren Computersystemen mit relativ geringer Speicherkapazität. Die Fähigkeit von CISC, mehr Funktionalität in weniger Anweisungen zu packen, ermöglicht kompaktere Programme.

Hardware-Optimierung:

CISC-Prozessoren können spezielle Hardware enthalten, um komplexe Anweisungen auszuführen, was zu einer schnelleren Ausführung bestimmter Arten von Operationen führen kann. Beispielsweise kann ein CISC-Prozessor Hardware enthalten, die Operationen wie Zeichenfolgenmanipulation oder komplexe mathematische Funktionen direkt unterstützt, wodurch der Bedarf an Softwareroutinen zum Ausführen dieser Aufgaben verringert wird.

Flexibilität bei der Programmierung:

Die breite Palette von Adressierungsmodi und Anweisungen, die von CISC unterstützt werden, ermöglicht mehr Flexibilität beim Schreiben von Programmen. Programmierer können Speicher oft direkt manipulieren und komplexe Operationen ausführen, ohne die Aufgabe in mehrere einfachere Schritte aufteilen zu müssen, was die Entwicklung für bestimmte Programmtypen schneller und manchmal intuitiver macht.

Legacy-Unterstützung:

Viele CISC-Architekturen, insbesondere Intels x86, sind seit Jahrzehnten im Einsatz. Diese Langlebigkeit gewährleistet ein großes Ökosystem an Software und Tools, die für CISC-Prozessoren optimiert sind. Die Abwärtskompatibilität dieser Systeme bedeutet, dass ältere Software weiterhin auf neueren Prozessoren ausgeführt werden kann, ohne dass wesentliche Änderungen erforderlich sind.

Nachteile von CISC

Komplexität von Dekodierungsanweisungen:

Einer der Nachteile von CISC ist die Komplexität beim Dekodieren von Befehlen variabler Länge. Die CPU muss jeden Befehl analysieren, um seine Länge zu bestimmen und was er tun muss. Diese Komplexität kann die Befehlsdecodierung langsamer und leistungsintensiver machen als die einfacheren Befehle mit fester Länge, die in RISC-Prozessoren zu finden sind.
Zusätzlich fügt das Vorhandensein vieler verschiedener Adressierungsmodi dem Decodierungsprozess eine weitere Komplexitätsebene hinzu.

Langsamere Ausführung in einigen Fällen:

Während CISC-Prozessoren komplexe Operationen in einem einzigen Befehl ausführen können, kann die Ausführung dieser komplexen Befehle mehrere Zyklen dauern, insbesondere wenn der Prozessor mehrmals auf den Speicher zugreifen muss. Dies kann manchmal zu einer langsameren Ausführung für bestimmte Aufgaben führen, verglichen mit der hocheffizienten Ein-Zyklus-Ausführung von RISC-Anweisungen.

Schwierigkeiten beim Pipelining:

Die Befehle variabler Länge von CISC und die komplexe Dekodierung erschweren die effiziente Implementierung von Pipelining (eine Technik, die zur Erhöhung des CPU Durchsatzes durch überlappendes Abrufen, Dekodieren und Ausführen von Befehlen verwendet wird). RISC-Prozessoren sind mit ihrem einfacheren Befehlssatz und vorhersehbaren Ausführungszeiten viel einfacher effektiv zu pipelinen.

Inkonsistente Leistung:

Während CISC-Prozessoren komplexe Aufgaben in weniger Anweisungen ausführen können, kann die Leistung inkonsistent sein. Einige Anweisungen erfordern möglicherweise mehrere Zyklen, was zu Leistungsengpässen führt. Dies kann besonders problematisch sein, wenn Programme ausgeführt werden, die viele einfache Operationen erfordern.

CISC vs. RISC

CISC (Komplexes Befehlssatzrechnen):

Großer, komplexer Befehlssatz mit vielen Adressierungsmodi.
Anweisungen können mehrere Zyklen umfassen, um ausgeführt zu werden.
Kann komplexe Aufgaben in einer einzigen Anweisung ausführen.
Ideal, um die Programmgröße und die Speichernutzung in bestimmten Kontexten zu reduzieren.
Typischerweise komplexer zu dekodieren und auszuführen.
RISC (Reduziertes Befehlssatzrechnen):

Kleiner, einfacher Befehlssatz für Geschwindigkeit und Effizienz.
Anweisungen werden normalerweise in einem Zyklus ausgeführt.
Verlässt sich auf Software und Compiler, um die Komplexität zu bewältigen.
Erfordert mehr Anweisungen zum Ausführen einer Aufgabe, aber jede Anweisung ist schneller und einfacher.
In der Regel einfacher zu verlegen und energieeffizienter.
CISC-Architekturen in der Praxis

Intel x86 Architektur:

Die von Intel entwickelte x86-Architektur ist das bekannteste Beispiel für eine CISC-Architektur. Es hat sich über Jahrzehnte weiterentwickelt und ist nach wie vor die dominierende Architektur für PCS und Server. Es unterstützt eine Vielzahl von Befehlen und Adressierungsmodi und ermöglicht einen flexiblen und leistungsstarken Betrieb im Allzweck-Computing.

Motorola 68000:

Die Prozessorserie Motorola 68000, die üblicherweise in älteren PCS und Spielekonsolen (wie dem Sega Genesis) verwendet wird, ist ein weiteres Beispiel für eine CISC-Architektur. Es war bekannt für seinen umfangreichen Befehlssatz und die Unterstützung komplexer Speicheradressierungsmodi.

VAX (Virtuelle Adresserweiterung):

Die von der Digital Equipment Corporation (DEC) entwickelte VAX-Architektur war ein leistungsfähiges CISC-System, das eine große Anzahl von Befehlen unterstützte, von denen viele mehrere Operationen gleichzeitig ausführen konnten. VAX wurde in den 1980er und 1990er Jahren häufig in Minicomputern und Großrechnern eingesetzt.