RISC 處理器（下）：RISC 處理器的四大特色

看完了「上篇：何謂 RISC」以及「中篇：為何嵌入式系統多用 RISC 架構」後，相信大家對於 RISC 的定義，以及 RISC 的優點，應該有一定的認識了。本篇接著要跟大家介紹的是，RISC 處理器有哪些特色？如果您拿到一顆嵌入式的 SoC ，沒人告訴您它是 RISC 架構，如何光憑閱讀該處理器的文件，就可以斷定它應該是 RISC 架構？我將提供幾個 RISC 架構的特色，讓您以後一看文件，就可以「合理懷疑」這顆處理器是「RISC 架構」。

先將 RISC 架構 CPU 獨有的特色列於下方：

1. 指令集精簡。
2. 指令管線步驟較多。
3. 擁有大量的暫存器。
4. 僅使用簡單的「Load / Store」來存取記憶體。

 

首先，它的指令集很小。如果拿人類的語言來說，如果把兩個語言的「字典」拿過來比厚薄，比較厚的那個語言，所使用的詞彙也比較多，我們就稱該語言的「指令集」比較大。反之，如果某個語言的「字典」，比其它語言薄，我們就說該語言的「指令集」比較小。一般的 RISC 架構 CPU，指令集大概都在 50 個指令上下。這跟 CISC 架構動輒 150 幾個指令比較起來，那可是三倍之差。拿嵌入式系統中，最被廣泛使用的 ARM 系列，也才 45 個指令而已。您可以想像，嵌入式系統那麼千變萬化的功能，居然只要交疊使用 45 個指令，就可以表達出來。想想，當初制定這 45 個指令的人，該是何等聰明睿智之士啊！

其次，它所擁有的「指令管線」步驟，比 CISC 架構要多出許多。如果您對「指令管線」的概念不是很清楚，建議參考一下筆者的這篇文章。看完後，您就了解一般 CPU 執行指令，是學習生產線的作法，把 CPU 內部切成許多很小的獨立單元，讓負責特定任務的單元，做完一個指令後，就可以緊接著做第二個指令。筆者很喜歡拿「工廠生產線」與「家庭代工」來比喻「有指令管線」與「無指令管線」的情況。假設現在要包裝一個罐頭禮盒有四個步驟：「拿盒子」、「擺罐頭」、「套熱塑套」、「加熱縮膜」。如果是家庭代工，這四個步驟可能都是一個人在做。如果是工廠生產線，可能會找四個人，一個人負責一項工作。則「家庭代工」可能要 5 分鐘才能包裝出一個罐頭禮盒，「工廠生產線」可能 30 秒就能生產一個，因為兩個禮盒間所差的時間，只有最後一位「加熱縮膜」所需要的時間而已。指令執行也是這樣。如果使用「指令管線」，完成上一個指令與下一個指令的時間差，取決於最後一個步驟所需的時間。

從上面的說明，我們就知道，指令管線的步驟越多，負責每個步驟的獨立單元就越輕鬆，完成兩個指令的時間差就越少。所以，RISC 架構的第二個特色，就是比 CISC 有更多的指令管線步驟。

RISC 架構多加許多指令管線步驟，有什麼好處呢？首先，由「上篇：何謂 RISC 」這篇文章中得知，RISC 盡量保證每個指令的執行時間都差不多，以防管線塞車。不像 CISC，由於它的指令執行時間不一定，有可能造成管線塞車，所以並無法從「指令管線」這種架構中得到多少好處。RISC 則不然！既然 RISC 不太會造成管線塞車，所以將管線步驟加多，很明顯會給 RISC 架構帶來不少好處。也因此，設計師就把管線步驟切得更細，以便從中取得更快的執行效率。

第三個 RISC 處理器有的特色，就是與 CISC 相比，它擁有大量的暫存器。所謂的暫存器，就是存在於 CPU 內的一小塊記憶體。只不過它用了特殊的材質製作（以正確術語來說，是使用了 SRAM），可以讓它的工作速度，與主記憶體相比（主記憶體大多使用 DRAM 製作），快了許多。如此一來，才跟得上 CPU 的高速度。

RISC 使用大量暫存器的原因，來自於它想掩蓋的一個缺點。由「上篇：何謂 RISC」得知，RISC 不提供所謂的「好用指令」。舉例來說，某些 RISC 晶片可能不提供「乘法」指令，而是要求程式師用連續的加法，來取代乘法。因為這類「好用指令」送入 CPU 中，通常會在瞬間引發大量的運算，造成管線塞車。但如果改成連續的加法，就會使得運算量分散在數個指令之間，不致於在短時間爆出大量運算要求。這有點像抓一把花生，一下子要塞進窄口瓶裡，可能辦不到。倘若一次兩三顆、兩三顆的放，反而能把花生順利放入瓶中是一樣的道理。不過本來只需「提取（Fetch）」一次的指令，由於 RISC 是將之寫成好幾道指令，所以 RISC 就比 CISC 多出許多要到慢速的「主記憶體」提取指令的時間。因此，RISC 在 CPU 內部準備了比 CISC 多上好幾倍的暫存器，一口氣從主記憶體提取大量的指令，來彌補它在架構上所造成的缺陷。

第四個 RISC 處理器的特色，就是「簡單的記憶體存取機制」。在 CISC 中，當資料運算完畢後，會儘快寫回主記憶體。因為 CISC 的暫存器個數沒有 RISC 多，暫存器對 CISC 而言是個珍貴資源。但 CISC 工程師也知道，寫回慢速主記憶體這件事，是會嚴重拖垮 CPU 的執行速度的。因此，CISC 工程師開發了很多複雜的「定址模式」（Addressing Mode），好讓 CPU 在最短的時間內，知道這筆資料要寫回哪裡。

說到此處，您或許對「定址模式」這件事，會有點陌生。我稍微說明一下。「定址模式」，就是 CPU 如何找到一塊記憶體在哪裡的一種方法。拿台北市的地址來說，台北市的「定址模式」就有「區、路、段、巷、弄、號、之、樓」八種。比如說：「信義區信義路五段75巷8弄16號之1七樓」。這種系統雖然可以讓我們快速找到要去的地方，比如說，我們可以靠著「段」，在長長的信義路中，找到我們想定位的那一個部分，不過要學會使用這種方法，需要比較長的時間（您覺得沒什麼是因為從小習慣了，不信你找個老外來教他如何看懂台北市地址系統試試看）。

但老外所使用的系統可簡單了。他們只有「路/街」以及「號」、「樓」三種而已。而且他們很習慣把南北向的叫「路（Road）」，東西向叫「街（Street）」。就算路再長，也不會像台北這樣分「一段、二段...」所以他們的地址會出現「百老匯路 7845 號」這麼誇張的門牌數字。他們認為「巷、弄」是一件很模稜兩可的系統。我曾經被一個老外問：如果一條巷子，左邊接信義路，屬於 56 巷，右邊接仁愛路屬於 33 巷，那這條巷子的中間，要算「信義路 56 巷」，還是「仁愛路 33 巷」？他就很驕傲的說，他們根本不用「巷、弄」，中間那條巷子，乾脆給它一個新名字，比如叫做「泰安街」。這樣就可以避免模稜兩可的狀況了。

回到 RISC 與 CISC 的定址模式。RISC 要放資料回主記憶體，只有兩個指令：「Load」負責讀資料到 CPU，「Store」負責寫資料到主記憶體。好處是機制簡單，壞處是沒把記憶體分得更細，要找到一個定點，跟 CISC 比起來沒那麼「一招中的」。這有點像國外的地址系統，想找到「7845」號在「百老匯路」的哪裡，只能從「百老匯路 1 號」為起點，依序慢慢尋找！因為 RISC 處理器內有大量的暫存器，所以資料可以先放在暫存器中，寫入主記憶體只是偶一為之。相反地，CISC 需要暫存器不多，需要常常寫回主記憶體。所以要很複雜的定址系統，好快速找到想定位的記憶體在哪裡。

下次，如果您遇到一個 CPU，它的指令不多（50 個左右）、管線步驟複雜（5 個步驟左右）、暫存器眾多（15 個以上）、定址模式簡單（只有 Load / Store），很有可能它就是一個 RISC 處理器。當然任何規則都有少數的例外，以上準則適用於大部分處理器，但不是所有符合上述條件的處理器，都是 RISC 處理器。

RISC 處理器（上）：何謂「RISC」？
RISC 處理器（中）：為何嵌入式系統多用 RISC 架構？
RISC 處理器（下）：RISC 處理器的四大特色

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關於作者：

紀俊男，現任和群資訊總經理。曾任職於筌寶電子、趨勢科技、西基電腦、展望電腦等公司。教書經驗約 20 年。專長是程式設計、系統管理、嵌入式系統等領域。您可以在本篇留言與之聯繫、討論、或邀課。