RISC vs. CISC

RISC vs. CISC , Die beiden Haupttypen von Prozessorarchitekturen, die das Gebiet der Datenverarbeitung dominieren, sind RISC (Reduced Instruction Set Computing) und CISC (Complex Instruction Set Computing). Diese beiden Architekturparadigmen repräsentieren unterschiedliche Ansätze für Prozessordesign, Befehlssätze und Gesamtsystemleistung. RISC und CISC haben jeweils ihre Vorteile, Kompromisse und Anwendungen, und das Verständnis ihrer Unterschiede ist entscheidend für das Verständnis des modernen Prozessordesigns. In diesem detaillierten Vergleich werden wir die Kernunterschiede zwischen RISC und CISC, ihre jeweiligen Merkmale, Vor- und Nachteile sowie den Einfluss dieser Architekturen auf das Design von Prozessoren und das Software-Ökosystem untersuchen.

Befehlssatzdesign
Der Hauptunterschied zwischen RISC und CISC liegt in der Komplexität ihrer Befehlssätze. Diese Sets definieren die Operationen, die ein Prozessor ausführen kann, und der Ansatz, sie zu entwerfen, wirkt sich erheblich auf Leistung, Designkomplexität und Effizienz aus.

CISC (Komplexes Befehlssatzrechnen):

CISC-Prozessoren haben einen großen, komplexen Befehlssatz. Sie bieten eine Vielzahl von Anweisungen, von denen einige sehr komplex sind und mehrere Operationen in einer einzigen Anweisung ausführen können. Diese Anweisungen können mehrere Schritte (wie Speicherzugriff, arithmetische Operationen und Verzweigung) in einem Zyklus ausführen, wodurch die Anzahl der für eine bestimmte Aufgabe erforderlichen Anweisungen reduziert wird. Dies führt häufig zu kürzeren Programmen, insbesondere für Hochsprachenoperationen.

Einige der bemerkenswerten Merkmale der CISC-Architektur sind:

Mehrere Adressierungsmodi: CISC-Prozessoren unterstützen mehrere Adressierungsmodi, sodass sie auf verschiedene Arten direkt auf Speicher verweisen können.
Anweisungen mit variabler Länge: Die Anweisungen variieren in der Länge, wobei einfachere Anweisungen kürzer und komplexere Anweisungen länger sind.
Mikrocode: Viele komplexe CISC-Anweisungen werden durch Mikrocode implementiert, der den High-Level-Befehl zur Ausführung in einfachere Mikrooperationen aufteilt.
Beliebte CISC-Prozessoren umfassen die x86-Prozessorfamilie von Intel und AMD.

RISC (Reduziertes Befehlssatzrechnen):

RISC-Prozessoren hingegen zielen darauf ab, den Befehlssatz zu vereinfachen. Anstatt viele komplexe Befehle zu haben, verwenden RISC-Prozessoren einen kleinen Satz einfacher Befehle, die in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt werden können. Die Idee ist, jede Anweisung so effizient wie möglich zu gestalten, wobei alle Anweisungen ungefähr die gleiche Länge und Struktur haben, was ein schnelleres Pipelining und eine einfachere Hardware ermöglicht.

Einige der Merkmale der RISC-Architektur umfassen:

Anweisungen mit fester Länge: RISC-Anweisungen haben normalerweise eine feste Länge, was die Befehlsdecodierung und das Pipelining vereinfacht.
Weniger Adressierungsmodi: RISC unterstützt normalerweise weniger Adressierungsmodi, wodurch die Komplexität des Speicherzugriffs verringert wird.
Lade- / Speicherarchitektur: RISC-Architekturen trennen normalerweise den Speicherzugriff von arithmetischen Operationen. Daten müssen in Register geladen werden, bevor eine Operation daran ausgeführt werden kann, und die Ergebnisse müssen anschließend im Speicher gespeichert werden.
Beliebte RISC-Prozessoren sind ARM, MIPS und RISC-V.

Leistung und Ausführungseffizienz

CISC-Leistung:
CISC-Architekturen weisen tendenziell eine höhere Befehlsdichte auf, da ein einzelner Befehl mehr Arbeit leisten kann. Dies kann zu einer geringeren Codegröße führen, was historisch wichtig war, als der Speicher begrenzt war. Dieser Vorteil hat jedoch im modernen Computing an Bedeutung verloren, wo Speicher reichlich vorhanden und billiger ist. Die Komplexität der Befehle in CISC-Prozessoren bedeutet, dass einige Befehle aufgrund der Notwendigkeit von Dekodierung und Mikrooperationen mehrere Taktzyklen zur Ausführung benötigen können.

Der Mikrocode-Ansatz führt auch zu zusätzlichem Overhead, da der Prozessor die Mikrooperationen abrufen, dekodieren und ausführen muss, die einem einzelnen Befehl entsprechen. Dies macht die Ausführungszeit für einen CISC-Befehl weniger vorhersehbar und kann bei bestimmten Arbeitslasten zu einer langsameren Leistung führen.

RISC-Leistung:
RISC-Prozessoren sind so konzipiert, dass sie für die Ausführung einfacher Befehle hocheffizient sind, wodurch sie eine höhere Anzahl von Befehlen pro Sekunde (IPS) erreichen können. Da die Ausführung der meisten RISC-Befehle einen einzigen Taktzyklus benötigt, eignen sich diese Prozessoren besser für Pipelining und Parallelität, was einen höheren Durchsatz und eine bessere Gesamtleistung ermöglicht.

Da RISC-Prozessoren jedoch mehr Anweisungen benötigen, um eine Aufgabe auszuführen, die in CISC weniger Anweisungen erfordern würde, kann dies zu größeren Codegrößen führen. Aber mit der Verfügbarkeit von schnellerem und reichlicherem Speicher überwiegen die Leistungsgewinne durch einfachere Befehlsausführung typischerweise die größere Codegröße.

Hardware- und Designkomplexität

Komplexität des CISC-Designs:
CISC-Prozessoren sind aufgrund der Vielzahl von Anweisungen und Adressierungsmodi, die sie unterstützen, komplexer zu entwerfen. Die Komplexität des Befehlssatzes bedeutet, dass die Steuereinheit, die Befehle dekodiert und ausführt, in der Lage sein muss, eine breite Palette von Operationen zu handhaben, von denen einige sehr komplex sein können. Dies führt zu einem größeren und komplizierteren Chipdesign mit mehr Hardwarekomponenten.

Die Verwendung von Mikrocode fügt eine weitere Komplexitätsebene hinzu, da jeder Befehl eine andere Sequenz von Mikrooperationen erfordern kann und dieser Mikrocode im Speicher gespeichert werden muss.

Komplexität des RISC-Designs:
RISC-Prozessoren sind so konzipiert, dass sie einfacher sind, indem sie sich auf einen reduzierten Befehlssatz konzentrieren. Diese Vereinfachung führt zu einer viel einfacheren Steuereinheit, die Anweisungen in einer Pipeline leicht abrufen, dekodieren und ausführen kann. Die Hardware für einen RISC-Prozessor ist tendenziell weniger komplex als ein CISC-Prozessor, was schnellere Taktraten und effizienteres Pipelining ermöglicht.

Da sich RISC-Architekturen auf einfache Anweisungen konzentrieren, ist weniger Mikrocode erforderlich, und jeder Befehl kann in einer konsistenten Zeit ausgeführt werden. Diese Einfachheit erleichtert auch das Design von Hochleistungsprozessoren mit mehreren Kernen und Unterstützung für Parallelverarbeitung.

Speichernutzung und Codegröße

CISC-Speichernutzung:
CISC-Prozessoren erreichen häufig kleinere Codegrößen, da ein einzelner Befehl mehrere Aufgaben ausführen kann. Dies ist besonders vorteilhaft in Umgebungen, in denen der Speicher eingeschränkt ist, da die Anzahl der Anweisungen, die zum Ausführen einer Aufgabe erforderlich sind, reduziert wird. Dies war ein wesentliches Merkmal, als frühe Computersysteme nur über begrenzte Speicherressourcen verfügten.

Wie bereits erwähnt, geht diese Effizienz bei der Codegröße jedoch auf Kosten einer komplexen Befehlsdecodierung, was die Leistung verringern kann. Moderne Systeme mit großen Speichermengen benötigen weniger kompakten Code, wodurch der Speichervorteil von CISC weniger ausgeprägt ist.

RISC-Speichernutzung:
Im Gegensatz dazu haben RISC-Prozessoren tendenziell größere Codegrößen, da mehr Anweisungen erforderlich sind, um dieselbe Aufgabe auszuführen, die in einem CISC-Prozessor weniger Anweisungen erfordern würde. Da RISC-Anweisungen jedoch einfach und einheitlich sind, lassen sie sich tendenziell schneller dekodieren und ausführen, was in vielen Anwendungen zu einer höheren Leistung führt. Darüber hinaus sind moderne Speichersysteme für die Verarbeitung größerer Codegrößen ausgelegt, wodurch die Auswirkungen dieses Nachteils verringert werden.

Software- und Compiler-Unterstützung

CISC-Software:
CISC-Prozessoren haben oft den Vorteil, dass für bestimmte Hochsprachenoperationen weniger Anweisungen erforderlich sind. Dies bedeutet, dass CISC-Prozessoren High-Level-Programme mit weniger Anweisungen ausführen können, was sie in Umgebungen, in denen Programmgröße und -komplexität eine Rolle spielen, effizienter macht. CISC-Prozessoren benötigen jedoch in der Regel anspruchsvollere Compiler, um komplexe Befehle zu optimieren und den größeren Befehlssatz zu verwalten.

RISC-Software:
RISC-Prozessoren benötigen mehr Anweisungen, um dieselben Aufgaben auszuführen, die CISC-Prozessoren in weniger Schritten ausführen können. Infolgedessen verlassen sich RISC-Prozessoren in der Regel darauf, dass der Compiler den Code effizient optimiert und sicherstellt, dass er mit minimaler Verzögerung ausgeführt wird. Im Laufe der Zeit haben sich Compiler für RISC-Prozessoren erheblich verbessert, sodass effiziente Programme geschrieben werden können, die den vereinfachten Befehlssatz des Prozessors nutzen.

Beispiele und Anwendungen

CISC-Beispiele:
Intel x86: Die x86-Architektur, einer der am häufigsten verwendeten CISC-Prozessoren, wird in Desktops, Laptops und Servern verwendet. Sein reichhaltiger Befehlssatz und seine Abwärtskompatibilität mit älterer Software haben es zu einem dominierenden Akteur in der PC-Branche gemacht.
VAX: Die von der Digital Equipment Corporation (DEC) entwickelte VAX-Architektur ist ein weiteres Beispiel für einen CISC-Prozessor mit komplexen Anweisungen und einem umfangreichen Satz von Adressierungsmodi.

RISC-Beispiele:
ARM: ARM ist eine beliebte RISC-Architektur, die in mobilen Geräten, eingebetteten Systemen und zunehmend in Laptops und Servern verwendet wird. Seine Einfachheit und Energieeffizienz machen es ideal für Geräte mit geringem Stromverbrauch.
MIPS: MIPS ist eine weitere RISC-Architektur, die in vielen eingebetteten Systemen, Netzwerkgeräten und Hochleistungscomputeranwendungen verwendet wird.
RISC-V: Eine neuere Open-Source-RISC-Architektur, RISC-V, erfreut sich zunehmender Beliebtheit für Forschung und Entwicklung im Prozessordesign und in eingebetteten Systemen.

Zusammenfassend stellen die RISC- und CISC-Architekturen zwei unterschiedliche Ansätze für das Prozessordesign dar, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben. CISC bietet einen komplexeren und funktionsreicheren Befehlssatz, der eine größere Befehlsdichte und eine kleinere Codegröße erreichen kann, was ihn für bestimmte Anwendungen vorteilhaft macht. Seine Komplexität kann jedoch zu einer langsameren Ausführung und höheren Konstruktionskosten führen. RISC hingegen konzentriert sich auf Einfachheit und Effizienz und bietet eine schnellere Befehlsausführung und ein einfacheres Hardwaredesign, obwohl möglicherweise mehr Anweisungen erforderlich sind, um dieselben Aufgaben auszuführen. Beide Architekturen entwickeln sich ständig weiter und ihre Relevanz in verschiedenen Bereichen hängt von den spezifischen Anforderungen der Anwendung, der Energieeffizienz und dem zugrunde liegenden Hardwaredesign ab.