前言
這是一篇為了非科班但是對RISC與對應的CISC這兩個縮寫及相關知識有興趣的同好所寫的入門文章，嚴格來說，這個領域其實是「計算機結構」的一部份，如果想要真正的完全了解，請研讀或參閱正規的教科書和課程。
電腦基本結構
開宗明義，RISC是 Reduced Instruction Set Computer的縮寫 ，翻譯為「精簡指令集電腦」，CISC則是相對的縮寫(Complex Instruction Set Computer，「複雜」指令集電腦)，所以要完整的解釋這兩個縮寫，必須先解釋兩件事：首先，什麼是電腦？第二、什麼是電腦的「指令集」，最後才能解釋什麼是「擁有精簡/複雜指令集的電腦」。
以最簡單的方式來說，電腦是一種「可以記憶並處理(或者說運算)資訊的機器」；很多人都用過算盤或是那種只有數字和加減乘除的掌上型計算機，當需要計算很多數字，例如把幾十個數字各自照公式計算然後平均等等，會怎麼做呢？首先，你要有張紙，上面記錄要計算的數字，以及計算的公式，你看一眼公式，把數字打進計算機或算盤，根據公式計算，然後把計算結果寫回那張紙，完成工作；恭喜你，你做的事情就是現代電腦所做的事情。
在電腦出現前，也有很多同樣具備記憶和處理資訊能力的機器，例如算盤，但是電腦與之前這些「計算機器」最大的不同，在於電腦可以將「指揮電腦如何運算」當作是一種可以儲存及修改的資訊，換句話說，就是那張「紙」，以及從「紙上讀取公式和資料」的能力，讓電腦有了超越以往計算機器的能力。
以最簡單的方式來說，電腦是一種「可以記憶並處理(或者說運算)資訊的機器」；很多人都用過算盤或是那種只有數字和加減乘除的掌上型計算機，當需要計算很多數字，例如把幾十個數字各自照公式計算然後平均等等，會怎麼做呢？首先，你要有張紙，上面記錄要計算的數字，以及計算的公式，你看一眼公式，把數字打進計算機或算盤，根據公式計算，然後把計算結果寫回那張紙，完成工作；恭喜你，你做的事情就是現代電腦所做的事情。
在電腦出現前，也有很多同樣具備記憶和處理資訊能力的機器，例如算盤，但是電腦與之前這些「計算機器」最大的不同，在於電腦可以將「指揮電腦如何運算」當作是一種可以儲存及修改的資訊，換句話說，就是那張「紙」，以及從「紙上讀取公式和資料」的能力，讓電腦有了超越以往計算機器的能力。
在電腦中，那張上面寫了計算公式和數字的紙，稱為「記憶體」，無論是公式還是數字，都在這張紙上，而計算的結果最後也是寫回這張紙，但是記憶體跟真正的紙有點不太一樣，你可以把記憶體想像成一個黑盒子，裡面分成很多格，但是你一次只能讀或寫其中的一格，所以你需要給這個黑盒子一串數字，告訴它你現在要讀寫哪一格，這串數字稱為記憶體的「位址」(address)。
(當然，記憶體不是只有這種形式，不過這是最簡單以及最常用的一種機制)
(當然，記憶體不是只有這種形式，不過這是最簡單以及最常用的一種機制)
至於從記憶體讀取公式和數字並加以計算的部份，古早以前，這部分分為控制和運算兩種單元，控制單元從記憶體中讀取公式和數字，然後送給運算單元產生結果，並將結果寫回記憶體，因為這兩個單元關係很密切，通常我們把這兩者合稱為「中央處理器」，也就是大家熟知的「CPU」，當然，這是很古老的說法，現在看到的「CPU」已經加了很多其他元件進去，但是基本上這兩個元件還在。
既然叫「電」腦，可想而知，你在計算數字時所做的：用眼睛看紙張上的符號、用手拿筆在紙上紀錄，這些動作，或是說「資訊的傳遞」，在電腦中都是用電來完成(至少目前是如此)，正確的說法是藉由在電線上傳遞不同高低電壓的訊號(或是用電磁波，但是無論如何，原理是一樣的)，電腦中不同的單元會互相傳送電磁訊號，所以以下所謂的「讀取」、「寫入」等等動作，其實就是藉由電磁訊號進行的資訊傳遞。
指令、指令集
電腦的基本運作方式如下：首先，CPU會先讀取記憶體的某格，得到一種「指揮電腦如何運算」的資訊，接著根據這個資訊，再從記憶體讀取要被處理的資料，並加以運算，運算後的結果再寫回記憶體，接著再讀取下一個指揮運算的資訊；這種「指揮電腦如何運算」的資訊稱為「指令」(Instruction)，；一台電腦裡用來指揮運算的一連串指令和資料的組合，我們稱為「程式」，所以我們現在的電腦有另外一個很拗口的名字，叫「內儲程式計算機」。(另外，因為一些美麗的歷史錯誤，這個架構有時候會被冠上偉大的數學家John von Neumann的名字，被稱為von Neumann Architecture，有興趣的可以參閱維基百科相關介紹)
指令本身由特定的規則組成，而一台電腦所能接受的所有指令規則組合，我們稱為「指令集」(Instruction Set)，指令集可以被視為是電腦所能了解的「語法」，要指揮一台電腦進行運算，程式的指令必須符合這台電腦的指令集規則，才能在這台電腦正確的執行；
不同廠商所設計的電腦系統，可能會有不同的指令集，而一種程式如果是以某種指令集語法所構成的話，通常也無法直接在另外一種指令集的電腦系統下執行；另外，即使是同一個廠商的電腦系統，新的系統有可能會在原有的指令集中加入新的指令格式與規則，所以為了新系統所寫的程式不見得可以在舊的系統下順利執行，如果系統可以執行舊系統的程式，我們稱這兩個指令集是「相容」的，以我們目前個人電腦的x86指令集為例，這個指令集雖然是Intel發展的，但是因為早期的一些商業協議(以及背後殘酷的專利與法律交鋒)，AMD公司也可以製造有相容指令集的微處理器。
RISC之前
在電腦的發展初期，由於硬體能力的限制，指令集通常不太複雜，其實也沒有辦法太複雜，另一方面，當時高階語言和編譯器也還不成熟，所以多半還是以機器語言和組合語言為主，很快的，程式設計師發現這些指令不太夠用，不夠用並不是寫不出程式，而是有些比較複雜的程式，要用一大堆指令才能寫出來，但是在那個記憶體寸土寸金的年代，程式本身的大小當然越小越好，所以為了能做更多事情，電腦的結構和指令集有了一些改變。
首先，每個指令都要讀取和寫入記憶體這點其實很麻煩，剛剛上面提過，讀寫記憶體分成兩個步驟：先送出位址，再讀寫資料，一個典型的運算，例如 A = B + C ，需要讀取兩筆資料，寫入一筆，要做三次記憶體存取，指令本身就要容納三個位址，所以後來想出了一個方法：在CPU裡面另外增加一塊特別的記憶體，除了原先的指令以外，增加一些新的指令，可以指定運算的結果直接寫進這塊記憶體，也可以直接使用這塊記憶體的資料當作輸入，因為只有一個或兩個，所以不需要很長的位址就可以指定，指令本身長度就可以變短，換句話說如果多使用這些指令，程式就會比較小；這種特別的記憶體稱為「累加器」(accumulator)，後來數量變多，也不限制只能存放運算後的結果，演變成一種存放「暫時放在CPU裡面的資料」的記憶體，稱為暫存器(registers)。
另外一方面，隨著越來越複雜的應用，指令集本身也變得越來越複雜，但是複雜的指令集表示要用複雜的電路來完成，對當時的電子工藝來說非常困難，所幸這個時候「微碼」(Microcode或是Microprogram)誕生，微碼是位於CPU內部的小程式，每個指令被讀進CPU後，指令的不同部分進一步被分解成對應的一系列微程式，再由CPU真正的電路一步步地完成，微碼的出現，一方面降低CPU電路設計的複雜度，另一方面也容許指令集提供更多複雜的指令給程式設計師，所以到了七零年代，大部分的電腦系統都採用了微碼設計，指令集也就越來越複雜。
為了解釋這些電腦的指令有多「複雜」，我們以DEC (Digital Equipment Corporation，迪吉多電腦公司)的VAX的指令集作為例子，VAX是DEC在七零年代中後期(精確的說，是1977年)，以PDP-11為基礎發展出的小型32位元電腦系統，是當年很暢銷的電腦主機之一。
VAX的指令集非常的「正交」(orthogonal)，這是個專有名詞，意思是指令格式中的不同部分，特別是指定運算資料來源的「運算元」部分非常的「各自獨立」；以VAX的算術運算為例，基本上有兩類，一類是兩個運算元，一類是三個運算元，例如加法：
A = A + B，這樣是兩個運算元(A、B)；
C = A + B，就是三個運算元(A、B、C)
(這是用高階語言的表示法，真正的樣子是一串0與1的數字格式和代碼，這裡不多做解釋)
VAX的指令中，這些運算元A、B、C可以分別是暫存器或是用暫存器定址的記憶體，而且定址還不只一種模式，事實上光是以暫存器為基礎的記憶體定址模式就有十多種，而且一個指令中不同運算元的定址模式是各自獨立的，換句話說程式設計師可以任意、分別指定這些運算元在暫存器或是記憶體的某個位址，這對於寫組合語言來說很方便，但是硬體上可就麻煩透頂，首先，因為不知道指令有幾個運算元，前面的OPcode要先解碼完，才能接著把指令剩下的部分抓進去；接著，這些運算元要分別去解碼判定運算元定址方式，如果很不幸的都是記憶體，還要個別做記憶體位址的計算、轉換和存取，這些複雜的工作當然不可能直接用硬體一次搞定，所以需要用指令轉換成一連串內部的微程式，代價就是指令執行時間變長，而且不是只有那些長指令，即使是只使用暫存器的短指令，也因為微程式的關係導致變慢。
在指令集複雜化的同時，電子工藝和程式設計方式也有了改變；1960年代積體電路(IC)開始取代之前的電晶體，成為電腦的主要元件；七零到八零年代，IC演變為大型積體電路(VLSI)，原先需要好幾片電路板的元件，現在可以用幾塊甚至單一一塊晶片就可以完成；而程式設計也從之前以組合語言為主，變成以編譯程式編譯的高階語言為主。
首先，每個指令都要讀取和寫入記憶體這點其實很麻煩，剛剛上面提過，讀寫記憶體分成兩個步驟：先送出位址，再讀寫資料，一個典型的運算，例如 A = B + C ，需要讀取兩筆資料，寫入一筆，要做三次記憶體存取，指令本身就要容納三個位址，所以後來想出了一個方法：在CPU裡面另外增加一塊特別的記憶體，除了原先的指令以外，增加一些新的指令，可以指定運算的結果直接寫進這塊記憶體，也可以直接使用這塊記憶體的資料當作輸入，因為只有一個或兩個，所以不需要很長的位址就可以指定，指令本身長度就可以變短，換句話說如果多使用這些指令，程式就會比較小；這種特別的記憶體稱為「累加器」(accumulator)，後來數量變多，也不限制只能存放運算後的結果，演變成一種存放「暫時放在CPU裡面的資料」的記憶體，稱為暫存器(registers)。
另外一方面，隨著越來越複雜的應用，指令集本身也變得越來越複雜，但是複雜的指令集表示要用複雜的電路來完成，對當時的電子工藝來說非常困難，所幸這個時候「微碼」(Microcode或是Microprogram)誕生，微碼是位於CPU內部的小程式，每個指令被讀進CPU後，指令的不同部分進一步被分解成對應的一系列微程式，再由CPU真正的電路一步步地完成，微碼的出現，一方面降低CPU電路設計的複雜度，另一方面也容許指令集提供更多複雜的指令給程式設計師，所以到了七零年代，大部分的電腦系統都採用了微碼設計，指令集也就越來越複雜。
為了解釋這些電腦的指令有多「複雜」，我們以DEC (Digital Equipment Corporation，迪吉多電腦公司)的VAX的指令集作為例子，VAX是DEC在七零年代中後期(精確的說，是1977年)，以PDP-11為基礎發展出的小型32位元電腦系統，是當年很暢銷的電腦主機之一。
VAX的指令集非常的「正交」(orthogonal)，這是個專有名詞，意思是指令格式中的不同部分，特別是指定運算資料來源的「運算元」部分非常的「各自獨立」；以VAX的算術運算為例，基本上有兩類，一類是兩個運算元，一類是三個運算元，例如加法：
A = A + B，這樣是兩個運算元(A、B)；
C = A + B，就是三個運算元(A、B、C)
(這是用高階語言的表示法，真正的樣子是一串0與1的數字格式和代碼，這裡不多做解釋)
VAX的指令中，這些運算元A、B、C可以分別是暫存器或是用暫存器定址的記憶體，而且定址還不只一種模式，事實上光是以暫存器為基礎的記憶體定址模式就有十多種，而且一個指令中不同運算元的定址模式是各自獨立的，換句話說程式設計師可以任意、分別指定這些運算元在暫存器或是記憶體的某個位址，這對於寫組合語言來說很方便，但是硬體上可就麻煩透頂，首先，因為不知道指令有幾個運算元，前面的OPcode要先解碼完，才能接著把指令剩下的部分抓進去；接著，這些運算元要分別去解碼判定運算元定址方式，如果很不幸的都是記憶體，還要個別做記憶體位址的計算、轉換和存取，這些複雜的工作當然不可能直接用硬體一次搞定，所以需要用指令轉換成一連串內部的微程式，代價就是指令執行時間變長，而且不是只有那些長指令，即使是只使用暫存器的短指令，也因為微程式的關係導致變慢。
在指令集複雜化的同時，電子工藝和程式設計方式也有了改變；1960年代積體電路(IC)開始取代之前的電晶體，成為電腦的主要元件；七零到八零年代，IC演變為大型積體電路(VLSI)，原先需要好幾片電路板的元件，現在可以用幾塊甚至單一一塊晶片就可以完成；而程式設計也從之前以組合語言為主，變成以編譯程式編譯的高階語言為主。
RISC的出現
1980年，加州大學柏克萊分校的David Patterson教授發表了著名的論文："The case for Reduced Instruction Set Computer"，在這篇論文中，Patterson和他的學生們分析了當時幾種主流電腦，包括上述的VAX、IBM system/360等系統的指令集，以及幾種標準測試程式在這些電腦系統上編譯後的機械碼之後，歸納出以下的結論：
RISC I是顆32位元的處理器，指令長度也固定為32位元，只有31個指令，包括基本的加減法、移位和邏輯運算，沒有乘法指令(因為以當時的製程來說，乘法的運算電路太大太慢，而且乘法基本上可以用移位和加法指令取代)；外部記憶體存取只限於load/store這兩種指令；這顆處理器有44420個電晶體，以5um NMOS製程製造，整顆晶片裡指令解碼和運算電路只佔了晶片面積的6%，其他都是暫存器(SRAM)，RISC I一共有78個32位元暫存器，分為六組，這就是所謂的「暫存器框格」(Register Window)設計，這個機制比較有意思，它的原意是希望降低呼叫副程式時的暫存器和記憶體間的資料傳輸，但是這個機制本身其實也有點麻煩，所以只有幾家少數的RISC用過(RISC I、SUN SPARC以及Intel的i960)，大部分其他RISC，像等一下會提到的MIPS就沒有。
雖然David Patterson他們創造了RISC這個縮寫，但是類似的概念其實很早就出現過；早在1965年，控制資料公司(Control Data Corp., CDC)的旗艦級大型電腦主機CDC6600也採用了類似的指令集設計概念；而1975年，由John Cocke領導設計的實驗性迷你電腦主機：IBM 801也是如此，但是都算是當時的「非主流」設計，並沒有獲得廣泛的重視；IBM 801的基本設計後來成為IBM RS/6000以及著名的IBM POWER架構、Apple後來在Power Mac所使用的PowerPC RISC微處理器，以及SONY PS3所使用的cell處理器的基礎。
(不過CDC6600和IBM 801都不是RISC「微處理器」VAX雖然是CISC，但是也不是CISC「微處理器」，一開始我們有提到電腦的主要元件「CPU」，在一般人的印象裡，CPU就等於「微處理器」，是一塊晶片，但是在電腦發展的早期，CPU其實是好幾櫃子的電路板和真空管或是電晶體，加上密密麻麻的電線，後來技術進步後可以縮減到一片電路板以及上面的許多顆IC，CDC6600大約就是那時候的電腦，要到1971年，才由我們熟知的Intel公司，把一顆簡單的4 bit CPU所需要的全部元件放進一片有2300顆電晶體的晶片裡，做出第一顆「微處理器」4004，但是那時候微處理器的功能和速度還遠不是大型電腦主機的對手)
- 大部分的高階語言程式所編譯出來的機械碼中，只會用到指令集中少部分，而且是比較簡單的指令。
- 微碼和指令集的複雜化導致的不合理設計；舉例來說，VAX有個叫 INDEX的指令，用來計算陣列位址，同時檢查位址是不是超過陣列的邊界範圍，這個指令可以用幾個其他簡單指令做到，而且還比較快。
- 電腦系統積體電路化的結果，會讓CPU內部速度與外部記憶體存取的速度差異越來越大。
- 指令集的設計應該盡可能的精簡，只有最常用、功能最單純的指令會被放入指令集，而且因應高階語言的普及，應該以能夠配合高階語言編譯器為主。
- 盡可能不使用微碼以降低設計複雜度與提高執行速度。
- 配置大量暫存器以降低對外部記憶體的存取頻率，同時只使用特定的指令存取外部記憶體，其他一般運算指令都使用暫存器作為運算元。
- 所有的指令(除了記憶體存取相關的以外)盡量在一個機器週期(machine cycle)內完成。
 |
| RISC I |
RISC I是顆32位元的處理器，指令長度也固定為32位元，只有31個指令，包括基本的加減法、移位和邏輯運算，沒有乘法指令(因為以當時的製程來說，乘法的運算電路太大太慢，而且乘法基本上可以用移位和加法指令取代)；外部記憶體存取只限於load/store這兩種指令；這顆處理器有44420個電晶體，以5um NMOS製程製造，整顆晶片裡指令解碼和運算電路只佔了晶片面積的6%，其他都是暫存器(SRAM)，RISC I一共有78個32位元暫存器，分為六組，這就是所謂的「暫存器框格」(Register Window)設計，這個機制比較有意思，它的原意是希望降低呼叫副程式時的暫存器和記憶體間的資料傳輸，但是這個機制本身其實也有點麻煩，所以只有幾家少數的RISC用過(RISC I、SUN SPARC以及Intel的i960)，大部分其他RISC，像等一下會提到的MIPS就沒有。
雖然David Patterson他們創造了RISC這個縮寫，但是類似的概念其實很早就出現過；早在1965年，控制資料公司(Control Data Corp., CDC)的旗艦級大型電腦主機CDC6600也採用了類似的指令集設計概念；而1975年，由John Cocke領導設計的實驗性迷你電腦主機：IBM 801也是如此，但是都算是當時的「非主流」設計，並沒有獲得廣泛的重視；IBM 801的基本設計後來成為IBM RS/6000以及著名的IBM POWER架構、Apple後來在Power Mac所使用的PowerPC RISC微處理器，以及SONY PS3所使用的cell處理器的基礎。
(不過CDC6600和IBM 801都不是RISC「微處理器」VAX雖然是CISC，但是也不是CISC「微處理器」，一開始我們有提到電腦的主要元件「CPU」，在一般人的印象裡，CPU就等於「微處理器」，是一塊晶片，但是在電腦發展的早期，CPU其實是好幾櫃子的電路板和真空管或是電晶體，加上密密麻麻的電線，後來技術進步後可以縮減到一片電路板以及上面的許多顆IC，CDC6600大約就是那時候的電腦，要到1971年，才由我們熟知的Intel公司，把一顆簡單的4 bit CPU所需要的全部元件放進一片有2300顆電晶體的晶片裡，做出第一顆「微處理器」4004，但是那時候微處理器的功能和速度還遠不是大型電腦主機的對手)
 |
| CDC 6600 |
在RISC I提出的同時，史丹福大學的John L. Hennessy教授提出了另外一套概念類似的指令集，稱為MIPS(其實這是個很拗口的縮寫：Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages，無互鎖階段管線的微處理器)，1984年開設了MIPS公司並量產R2000微處理器，MIPS的微處理器在一些高階繪圖工作站以及嵌入式系統被使用；後來這兩位「RISC教授」更合寫了兩本有名的計算機結構與組織教科書：Computer Architecture: A Quantitative Approach以及Computer Organization and Design: the Hardware/Software Interface。這兩本現在是很多大學資訊科系計算機結構相關課程的經典教科書。
到了1986年以後，幾乎所有當時的電腦系統廠商都推出過基於RISC概念的微處理器，有些廠商甚至直接放棄了自己原有的CISC系統；到了九零年代以後，即使是像Intel x86這樣的老牌CISC微處理器，在內部的設計上也或多或少的受到RISC設計概念的影響，如果有興趣，可以參閱本文作者所寫的這篇「淺談古代CPU：CISC廠的RISC(1)」。
附帶一提，1983年，有家叫Acorn的英國小公司，因為找不到合用的微處理器，他們參考了RISC-I的相關論文，自己發展了一個稱為Acorn RISC Machine的架構，並在1985年做出第一個實作ARM2，這家公司後來改名Advanced RISC Machine，這個架構就是各位手上的手機和平板所用的各種ARM處理器的前身。
到了1986年以後，幾乎所有當時的電腦系統廠商都推出過基於RISC概念的微處理器，有些廠商甚至直接放棄了自己原有的CISC系統；到了九零年代以後，即使是像Intel x86這樣的老牌CISC微處理器，在內部的設計上也或多或少的受到RISC設計概念的影響，如果有興趣，可以參閱本文作者所寫的這篇「淺談古代CPU：CISC廠的RISC(1)」。
附帶一提，1983年，有家叫Acorn的英國小公司，因為找不到合用的微處理器，他們參考了RISC-I的相關論文，自己發展了一個稱為Acorn RISC Machine的架構，並在1985年做出第一個實作ARM2，這家公司後來改名Advanced RISC Machine，這個架構就是各位手上的手機和平板所用的各種ARM處理器的前身。
補充：有關RISC的一些常見誤解
- RISC只是CPU「指令集」的一種設計概念，在電腦和CPU這塊領域，還有很多奇奇怪怪的術語和縮寫，像是多處理器或雙核心四核心、SMT、管線(pipeline)、Superscalar等等等等，這些都跟「指令集設計」沒有直接的關係，那些術語是實作CPU時的某些機制，跟是不是CISC或是RISC沒有關係；另外像是CPU的製程或時脈，跟RISC/CISC也沒有直接的關係。
- 微碼/微程式並不是「因為」VLSI出現才消失的，以現在的電子工藝，大可以用VLSI做一片「使用微碼的超級CISC」微處理器，只是不會比較快而已。
- 後來為了因應需要，新的RISC有加入一些新指令，像是對應多媒體應用而產生的向量運算等等之類的，基本上並不違反RISC的設計原則，會放進去是因為後來多媒體應用成為微處理機很重要的一項功能，常用的當然會放進去。
沒有留言:
張貼留言