計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)與中國(guó)CPU的發(fā)展

本學(xué)期我們大致了解了一些微型計(jì)算機(jī)的基本原理，包括微機(jī)處理器、微型計(jì)算機(jī)和微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的定義、微處理器的發(fā)展概況，以及微機(jī)處理器的分類。其中我們比較全面的學(xué)習(xí)了指令系統(tǒng)

一 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)

1 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)的程序是由一系列的指令組成的,指令就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō), 計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。指令系統(tǒng)是指: 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合, 它是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素, 其格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu), 也直接影響到系統(tǒng)軟件, 影響到機(jī)器的適用范圍。指令系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的演變過(guò)程, 20 世紀(jì)50 年代: 指令系統(tǒng)只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令; 20 世紀(jì)60 年代后期: 增加了乘除運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、字符串處理等指令,指令數(shù)目多達(dá)一二百條, 尋址方式也趨多樣化;20 世紀(jì)70 年代末期:大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多達(dá)幾百條。我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)。但是如此龐大的指令系統(tǒng)難以保證正確性, 不易調(diào)試維護(hù), 造成硬件資源浪費(fèi)。為此人們又提出了便于VLSI 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)( RISC) 。

指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)最基本的特征。早期,人們采用微程序設(shè)計(jì)技術(shù)讓指令系統(tǒng)變得日趨復(fù)雜, 后來(lái)逐漸認(rèn)識(shí)到這種復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)并不能很好的提高系統(tǒng)性能,于是設(shè)計(jì)師們提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)體系結(jié)構(gòu),并在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了CPU。隨著RISC 微處理器迅速發(fā)展, 人們又發(fā)現(xiàn)RISC 指令系統(tǒng)并不能充分實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行處理,從而影響了計(jì)算機(jī)性能的進(jìn)一步提高,又出現(xiàn)了超長(zhǎng)指令字(VLIW)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)。

2 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的研究

1 指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介在計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展過(guò)程中, 出現(xiàn)過(guò)兩個(gè)截然不同的優(yōu)化方向: CISC 技術(shù)和RISC 技術(shù)。CISC 是指復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(**plex Instruction Set **puter);

RISC是指精減指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set**puter)。這里的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)指的是計(jì)算機(jī)的最低層的機(jī)器指令, 也就是CPU 能夠直接識(shí)別的指令。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜, 要求計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的構(gòu)造能使計(jì)算機(jī)的整體性能更快更穩(wěn)定。最初, 人們采用的優(yōu)化方法是通過(guò)設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令, 把一些原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn), 以此來(lái)提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度, 這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī), 即plex InstructionSet puter, 簡(jiǎn)稱CISC。另一種優(yōu)化方法是在20 世紀(jì)80 年代才發(fā)展起來(lái)的, 其基本思想是盡量簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)指令功能, 只保留那些功能簡(jiǎn)單、能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令,而把較復(fù)雜的功能用一段子程序來(lái)實(shí)現(xiàn), 這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就被稱為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。即Reduced Instruction Set puter, 簡(jiǎn)稱RISC。RISC 技術(shù)的精華就是通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)指令功能, 使指令的平均執(zhí)行周期減少, 從而提高計(jì)算機(jī)的工作主頻, 同時(shí)大量使用通用寄存器來(lái)提高子程序執(zhí)行的速度。

2 RISC 的提出采用復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)有著較強(qiáng)的處理高級(jí)語(yǔ)言的能力. 這對(duì)提高計(jì)算機(jī)的性能是有益的。1979 年以帕特遜教授為首的一批科學(xué)家也開(kāi)始在美國(guó)加冊(cè)大學(xué)伯克萊分校開(kāi)展這一研究。結(jié)果表明, CISC 存在許多缺點(diǎn)。首先,在這種計(jì)算機(jī)中, 各種指令的使用率相差懸殊:一個(gè)典型程序的運(yùn)算過(guò)程所使用的80% 指令,只占一個(gè)處理器指令系統(tǒng)的20% , 事實(shí)上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡(jiǎn)單的指令,這樣一來(lái), 長(zhǎng)期致力于復(fù)雜指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì), 實(shí)際上是在設(shè)計(jì)一種難得在實(shí)踐中用得上的指令系統(tǒng)的處理器。同時(shí), 復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然帶來(lái)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性, 這不但增加了設(shè)計(jì)的時(shí)間與成本還容易造成設(shè)計(jì)失誤。此外, 盡管VLSI 技術(shù)現(xiàn)在已達(dá)到很高的水平, 但也很難把CISC 的全部硬件做在一個(gè)芯片上, 這也妨礙單片計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 在CISC 中, 許多復(fù)雜指令需要極復(fù)雜的操作, 這類指令多數(shù)是某種高級(jí)語(yǔ)言的直接翻版, 因而通用性差. 由于采用二級(jí)的微碼執(zhí)行方式, 它也降低那些被頻繁調(diào)用的簡(jiǎn)單指令系統(tǒng)的運(yùn)行速度。因而, 針對(duì)CISC 的這些弊病,帕特遜等人提出了精簡(jiǎn)指令的設(shè)想即指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)只包含那些使用頻率很高的少量指令, 并提供一些必要的指令以支持操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言, 按照這個(gè)原則發(fā)展而成的計(jì)算機(jī)被稱為精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(Reduced Instruction Set **puter-當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的主流是什么呢？國(guó)內(nèi)

總結(jié)

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