計算機指令系統與中國CPU的發展

本學期我們大致了解了一些微型計算機的基本原理，包括微機處理器、微型計算機和微型計算機系統的定義、微處理器的發展概況，以及微機處理器的分類。其中我們比較全面的學習了指令系統

一 計算機指令系統

1 計算機指令系統的發展

計算機的程序是由一系列的指令組成的,指令就是要計算機執行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說, 計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。指令系統是指: 一臺計算機中所有機器指令的集合, 它是表征一臺計算機性能的重要因素, 其格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構, 也直接影響到系統軟件, 影響到機器的適用范圍。指令系統的發展經歷了從簡單到復雜的演變過程, 20 世紀50 年代: 指令系統只有定點加減、邏輯運算、數據傳送、轉移等十幾至幾十條指令; 20 世紀60 年代后期: 增加了乘除運算、浮點運算、十進制運算、字符串處理等指令,指令數目多達一二百條, 尋址方式也趨多樣化;20 世紀70 年代末期:大多數計算機的指令系統多達幾百條。我們稱這些計算機為復雜指令系統計算機(CISC)。但是如此龐大的指令系統難以保證正確性, 不易調試維護, 造成硬件資源浪費。為此人們又提出了便于VLSI 技術實現的精簡指令系統計算機( RISC) 。

指令系統是計算機體系結構最基本的特征。早期,人們采用微程序設計技術讓指令系統變得日趨復雜, 后來逐漸認識到這種復雜指令系統計算機(CISC)并不能很好的提高系統性能,于是設計師們提出了精簡指令系統計算機(RISC)體系結構,并在一個芯片上實現了CPU。隨著RISC 微處理器迅速發展, 人們又發現RISC 指令系統并不能充分實現指令級并行處理,從而影響了計算機性能的進一步提高,又出現了超長指令字(VLIW)計算機指令系統。

2 計算機指令系統的研究

1 指令系統簡介在計算機指令系統的優化發展過程中, 出現過兩個截然不同的優化方向: CISC 技術和RISC 技術。CISC 是指復雜指令系統計算機(**plex Instruction Set **puter);

RISC是指精減指令系統計算機(Reduced Instruction Set**puter)。這里的計算機指令系統指的是計算機的最低層的機器指令, 也就是CPU 能夠直接識別的指令。隨著計算機系統的復雜, 要求計算機指令系統的構造能使計算機的整體性能更快更穩定。最初, 人們采用的優化方法是通過設置一些功能復雜的指令, 把一些原來由軟件實現的、常用的功能改用硬件的指令系統實現, 以此來提高計算機的執行速度, 這種計算機系統就被稱為復雜指令系統計算機, 即plex InstructionSet puter, 簡稱CISC。另一種優化方法是在20 世紀80 年代才發展起來的, 其基本思想是盡量簡化計算機指令功能, 只保留那些功能簡單、能在一個節拍內執行完成的指令,而把較復雜的功能用一段子程序來實現, 這種計算機系統就被稱為精簡指令系統計算機。即Reduced Instruction Set puter, 簡稱RISC。RISC 技術的精華就是通過簡化計算機指令功能, 使指令的平均執行周期減少, 從而提高計算機的工作主頻, 同時大量使用通用寄存器來提高子程序執行的速度。

2 RISC 的提出采用復雜指令系統的計算機有著較強的處理高級語言的能力. 這對提高計算機的性能是有益的。1979 年以帕特遜教授為首的一批科學家也開始在美國加冊大學伯克萊分校開展這一研究。結果表明, CISC 存在許多缺點。首先,在這種計算機中, 各種指令的使用率相差懸殊:一個典型程序的運算過程所使用的80% 指令,只占一個處理器指令系統的20% , 事實上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡單的指令,這樣一來, 長期致力于復雜指令系統的設計, 實際上是在設計一種難得在實踐中用得上的指令系統的處理器。同時, 復雜的指令系統必然帶來結構的復雜性, 這不但增加了設計的時間與成本還容易造成設計失誤。此外, 盡管VLSI 技術現在已達到很高的水平, 但也很難把CISC 的全部硬件做在一個芯片上, 這也妨礙單片計算機的發展, 在CISC 中, 許多復雜指令需要極復雜的操作, 這類指令多數是某種高級語言的直接翻版, 因而通用性差. 由于采用二級的微碼執行方式, 它也降低那些被頻繁調用的簡單指令系統的運行速度。因而, 針對CISC 的這些弊病,帕特遜等人提出了精簡指令的設想即指令系統應當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和高級語言, 按照這個原則發展而成的計算機被稱為精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set **puter-當前計算機發展的主流是什么呢？國內

總結

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