在网上看到一个有趣的讨论，关于 x86 指令集是否应该消亡，对于分歧点，本文简单记录一下，作为吃瓜群众学到不少。

1、术语解释

  • CISC/RISC。 CISC 是复杂指令集计算机，旨在使用更少、更复杂的指令来完成任务，x86 的指令集设计参照了 CISC 的理念。 而 RISC 是精简指令集计算机，旨在使用更少、更简单的指令来使硬件设计变得更容易，从而使简单的硬件能够运行得更快、性能更高，MIPS 和 ARM 的指令集参照了 RISC 的理念。
  • Superscalar(超标量)。 超标量 CPU 在每个时钟周期可以执行多于一条指令，而标量 CPU 一次只能执行一条指令。
  • Out-of-order execution(乱序执行)。 支持乱序执行的 CPU 可以不管程序指令的顺序如何，在等待时执行独立无依赖的指令，从而提高执行单元的利用率，减轻缓存和内存延迟的影响。

2、争辩？

  • 纯硬件完成？

    • Hackaday：x86 通过使用硬件和微代码的混合翻译来实现指令，而不是全部由硬件完成。
    • clamchowder：现代高性能 CPU 都不会直接用指令位去控制硬件了，会将指令解码给乱序执行的引擎及功能单元所理解的内部格式。

  • 兼容性

    • Hackaday：今天，即使是最高端的 x86 CPU 仍然支持古老的 8086 实模式，其中 CPU 可以直接寻址内存，无需任何重定向。具有这种级别的向后兼容性可能会导致问题，特别是在多任务处理和内存保护方面，但这是以前芯片的一个功能，我认为是时候放弃 8086 的许多遗产，让现代处理器自由运行了。
    • clamchowder：当滔滔不绝地讨论不同的 CPU 及其提供的性能时，很容易忘记性能所需的用途：运行软件。如果 CPU 不能运行您需要的软件，那么它就是一块小砖头。 x86-64 CPU 保留实模式，以便操作系统可以继续以相同的方式启动。当然，兼容性不可能永远保持，ISA 必须不断发展，但兼容性中断应保持在最低限度，以免让用户受损。

  • 获取和解码指令的成本

    • Hackaday：指令的代价，如以 mpsadbw 为例，该指令为六到七个字节，这个指令的长度以及无内存对齐会使得获取和解码指令成本更高。
    • clamchowder：即使是固定长度的指令，RISC 架构同样也存在解码成本，Arm 使用 micro-op cache、L1 i-cache 缓存来降低解码成本。

  • 指令集扩展和增加指令数量的问题

    • Hackaday：尽管很少被用到，如 mpsadbw，现代 x86 CPU 仍需要支持该指令，占了一定的空间，这种支持的保留还体现在硬件的兼容。而且 x86 的指令扩展和增加数量惊人。
    • clamchowder：ARM 也经历了多次的指令集修改和扩展，像 MIPS 没有再更多扩展，是因为使用得少了。现在工程师可以在硬件上做更多的设计和操作，为特定的任务添加更多的合适指令也是加快速度的好方法。

  • 奇怪的指令

    • Hackaday：如 mpsadbw 用于计算绝对差的多个值的总和，执行了至少 19 次加法，但 CPU 仅在两个时钟周期执行它。
    • clamchowder：好好思考这个指令存在的原因，计算绝对差之和对于查看如视频编码的块变化程度是不错的方式，ARM 也有类似的向量指令。

  • 寄存器命名和指令调度更复杂

    • Hackaday：添加很多指令使得寄存器命名和指令调度更复杂。存在的指令越多，其解决方案逻辑就越复杂。
    • clamchowder：尽管 mpsadbw 执行更多低级操作，但它只需要两个寄存器输入和一个目标寄存器。复杂的指令实际上降低了寄存器重命名和调度成本。换成 RISC 处理等效的简单指令序列将需要更多的寄存器重命名和调度工作。

  • ARM 蚕食 x86？
    • Hackaday：ARM 蚕食 x86 市场份额，在智能手机和平板电脑领域完全占据主导地位，在服务器市场不断增长，RISC-V 也非常流行，因为其简单性。
    • clamchowder：设计 ARM CPU 的人了解有效使用获取/解码/重命名带宽的重要性，还了解节省使用寄存器命名和调度程序条目等后端资源的重要性，所以 ARM 如今也有大量复杂的指令了。简单指令通常构成执行程序指令流的大部分，这尤其适用于难以并行化的程序，当今的 CPU 必须能够快速执行简单的操作，同时他们也受益于复杂的指令来加速特定的工作负载。“CISC” 和 “RISC” 绰号仅反映了指令集的遥远起源。它们反映了三十多年前几乎无关紧要的哲学辩论，现在也完全无关紧要。

3、最后

目前 x86 还是拥有一定的市场，有其目标适用性，这个争辩的内容可以在下方参考看原文，本文是乱序把双方观点整理到一起了。另外，文章的评论区也挺精彩的，比原文还长。

参考