如果你是少數(shù)仍認為指令集架構(gòu)(instruction set architectures，ISA)是精簡(RISC)或復雜(CISC)，會對應(yīng)用處理器之設(shè)計的功耗或性能有顯著影響的軟件或硬件設(shè)計工程師，放棄這種想法吧!它是不正確的，因為更重要的是處理器的微架構(gòu)(microarchitecture)，也就是指令被硬布線(hardwired)到處理器中的方法，以及有什么被添加入以協(xié)助它們達成特定目標。

 

以上結(jié)論來自于學術(shù)期刊《ACM計算機系統(tǒng)學報(ACM Transactions on Computer Systems)》的一篇論文“指令集架構(gòu)之戰(zhàn)：了解ISA是CISC或RISC的關(guān)聯(lián)性(ISA Wars: Understanding the Relevance of ISA being CISC or RISC)”，作者為Emily Blem、Jakrishnan Menon、Thiruvengadam Vijayaraghavan以及 Karthhikeyan Sankaralingam;該論文報告了過去四年美國威斯康辛大學(University of Wisconsin)垂直研究小組(Vertical Research Group，VRG)所做的一項研究結(jié)果。

 

報告作者之一Vijayaraghavan 表示，該研究是到目前為止針對三大處理器架構(gòu)——英特爾(Intel) x86架構(gòu)、ARM處理器以及現(xiàn)屬于Imagination 的MIPS處理器——的設(shè)計、實作等所有角度的最完整分析。“雖然在過去，RISC與CISC指令集架構(gòu)也許有一些差異，但我們鎖定的參數(shù)——性能(performance)、功耗(power)與能源效益(energy)現(xiàn)在肯定沒有。”另一位報告作者Sankaralingam 表示：“ISA缺乏的地方，微架構(gòu)就會補強它，反之亦然。”

RISC、CISC指令集架構(gòu)研究所采用的處理器平臺

 

Sankaralingam指出，現(xiàn)在只有一種處理器是真正的RISC架構(gòu)——MIPS，是以美國史丹佛大學開發(fā)的RISC架構(gòu)為基礎(chǔ);至于x86處理器架構(gòu)一開始是純CISC設(shè)計，但過去幾年來越來越朝類RISC結(jié)構(gòu)發(fā)展。ARM處理器架構(gòu)近似RISC，但采用更多CISC功能，包括增加的Thumb 1與Thumb 2指令集架構(gòu)。

 

他表示：“所以我們的研究基本上是在目前的市場環(huán)境，比較今日的Intel、ARM與MIPS處理器;幾乎每一個我們的量測結(jié)果，都與指令集架構(gòu)無關(guān)。”以往的比較研究會因為處理器系統(tǒng)的軟體與硬體資源不同而有缺陷，但VRG團隊盡力確保其量測是在條件幾乎相同的平臺與同等的環(huán)境中完成，為了區(qū)分出實作與ISA效果，他們盡可能讓所使用的各種ISA芯片，都具備類似的微架構(gòu)。

 

此研究將比較樣本局限在ARM Cortex-A8或更高等級的處理器，較不注重Cortex-M系列元件;Sankaralingam解釋：“原因很簡單，我們的目標之一是要有能比較與量化的平臺，因此我們沒必要去看A9以下的處理器，以及相對應(yīng)的競爭架構(gòu)。”在Cortex-M0的環(huán)境下，ARM是與1~20MHz與2~50mWatt的8位MCU競爭，其運作是架高在x86指令集之上，不適用其研究。

 

該研究小組的評估，是以一顆MIP處理器(中國開發(fā)的龍芯- Loongson處理器)、三個ARM平臺(Cortex- A8、Cortex-A9與Cortex-A15)，以及三個x86架構(gòu)設(shè)計(Atom、Bobcat與Sandybridge i7)來進行;他們也使用了相同的作業(yè)系統(tǒng)——Linux 2.6 LTS，還有以gss 4.4為基礎(chǔ)的交叉編譯器前端(cross compiler front end)。

 

在移動設(shè)備客戶端的工作負載方面，他們使用CoreMark與Webkit性能基準;在桌上型應(yīng)用方面，則是采用SPECCPU2006基準。至于服務(wù)器工作負載的性能基準，則是使用包括lightpd與CLucerne等性能基準。

RISC、CISC指令集架構(gòu)研究的發(fā)現(xiàn)

 

研究所采用的實作樣本，包括不同ISA以及相同ISA、不同微架構(gòu);Sankaralingam表示：“整體看來，我們選擇的平臺條件具備合理的平等，而且我們執(zhí)行了詳細的分析，分別得出各微架構(gòu)與技術(shù)的效果。”

 

VRG團隊確實進行了處理器在執(zhí)行時間(execution time)、工作周期(cycle count)、指令數(shù)目(instruction count)、指令格式與結(jié)構(gòu)(instruction format and mix)、微架構(gòu)以及ISA對微架構(gòu)影響的比較;功耗與能源效益的分析量測也很全面，包括平均功耗、平均技術(shù)獨立功耗(technology independent power)，以及平均能源效益等等。

 

Sankaralingam表示，他們的報告結(jié)論是，雖然ISA與支援不同特殊應(yīng)用(例如虛擬化、加速器、浮點運算..)的功耗與性能有關(guān)，但無論ISA是RISC或CISC，其實大都與今日成熟的微處理器設(shè)計領(lǐng)域沒有什么關(guān)系。“根據(jù)這項研究，開發(fā)工程師能簡單根據(jù)工程設(shè)計觀點，放心考慮針對不同性能等級最佳化的ARM、MIPS或x86處理器;”Sankaralingam指出：“不同ISA的能源效益基本上并沒有差別。”

 

如該報告最后一段所寫：“顯然數(shù)十年來的硬體與編譯器研發(fā)，已經(jīng)能有效掌握RISC與CISC架構(gòu)，而且兩者在未來訴求節(jié)能的創(chuàng)新應(yīng)用中擁有平等地位。”