1. 概述
在本篇文章中，我们将简要介绍两种主流 CPU 架构设计的优缺点：精简指令集计算（RISC）与复杂指令集计算（CISC）。
从上世纪 80 年代起，关于 CPU 设计方式的争论就从未停止。一部分人主张通过少量复杂指令完成复杂任务（CISC），另一部分人则主张通过大量简单指令来实现高性能（RISC）。
随着摩尔定律的演进，芯片晶体管数量持续增长，硬件设计复杂度成为制约因素。RISC 因其架构简洁、实现成本低、开发周期短，逐渐成为主流。但 CISC 也在不断吸收 RISC 的设计理念，两者界限已逐渐模糊。
2. RISC vs. CISC
| 对比维度 | RISC | CISC |
|---|---|---|
| 设计理念 | 简单指令，强调软件优化 | 复杂指令，强调硬件功能 |
| 每条指令周期数 | 少，多数指令在单周期完成 | 多，不同指令周期差异大 |
| 代码体积 | 较大 | 较小 |
| 晶体管用途 | 更多用于寄存器 | 更多用于复杂指令逻辑 |
| 典型指令集 | ARM、RISC-V、PowerPC、SPARC | x86 |
| 执行方式 | Load/Store 架构 | Memory-to-Memory 架构 |
以下是一张形象地展示 RISC 与 CISC 区别的示意图：
3. RISC 架构
RISC（Reduced Instruction Set Computing） 是一种 CPU 设计理念，主张通过简化指令集，使每条指令都能在单个时钟周期内完成，从而提高整体执行效率。
RISC 的理念由 David Patterson 和 John Hennessy 提出，其核心在于通过简化硬件设计，将复杂度转移至编译器和软件层。
3.1. 主要设计原则
✅ 指令集限制：仅提供少量基础指令，如加法、位移等，复杂操作由多个基础指令组合而成
✅ 通用寄存器：所有寄存器均可用于数据或地址存储，提高访问效率
✅ 流水线设计：将指令执行拆分为多个阶段，实现并行处理
✅ Load/Store 架构：数据处理仅在寄存器间进行，内存访问通过独立的 Load 和 Store 指令完成
这些设计使得 RISC 处理器结构更简单，时钟频率更高，适合高性能、低功耗场景。
3.2. RISC 的优势
- ✅ 芯片面积和能耗更优，适合移动设备（如 ARM 处理器）
- ✅ 编译器更容易生成高效代码
- ✅ 寄存器用于参数传递和局部变量存储，提升性能
- ✅ 指令固定长度，易于流水线并行处理
- ✅ 执行速度快，指令周期短
3.3. RISC 的劣势
- ❌ 性能高度依赖编译器质量
- ❌ 编译器需要处理更多底层细节，实现复杂度高
4. CISC 架构
CISC（Complex Instruction Set Computing） 是早期 CPU 设计的主流方式，其目标是通过一条复杂指令完成更多操作，从而减少程序中的指令总数。
CISC 的设计初衷是为了减少内存使用，通过将多个操作合并为一条指令，降低程序对内存容量的需求。
4.1. CISC 的优势
- ✅ 单条指令功能强大，完成相同任务所需指令更少
- ✅ 代码体积小，节省内存空间
4.2. CISC 的劣势
- ❌ 多数复杂指令实际使用频率低
- ❌ 指令执行周期差异大，影响整体性能
- ❌ 硬件复杂度高，不利于高频运行
5. RISC 与 CISC 的核心区别图解
以下是一个乘法操作在 RISC 与 CISC 架构下的执行过程对比：
CISC 方式
- 使用一条复杂指令
MULT，直接操作内存中的两个数 - 不需要手动加载或存储数据，类似高级语言的一行代码
RISC 方式
- 需要三条指令：
LOAD：将内存数据加载到寄存器PROD：执行乘法运算STORE：将结果写回内存
这种设计虽然增加了指令数量，但每条指令都可在单周期内完成，提高了整体效率。
6. 总结
RISC 与 CISC 代表了 CPU 架构设计的两种哲学：
- RISC 强调简单、高效、可扩展，适合现代高性能、低功耗场景（如移动设备）
- CISC 强调功能集成、代码紧凑，适合早期资源受限的系统
随着技术发展，两者界限逐渐模糊。现代 CISC 处理器（如 x86）已广泛采用 RISC 内核 + 微码翻译的方式运行，而 RISC 架构也不断演进，如开源的 RISC-V 架构正逐步挑战 ARM 的市场地位。
✅ 踩坑提醒：理解 RISC 和 CISC 的区别有助于我们在选择处理器平台时做出更合理的技术决策。比如在嵌入式系统中优先考虑 RISC，而在传统 PC 领域仍以 CISC 为主。