计算机指令系统与中国CPU的发展

本学期我们大致了解了一些微型计算机的基本原理，包括微机处理器、微型计算机和微型计算机系统的定义、微处理器的发展概况，以及微机处理器的分类。其中我们比较全面的学习了指令系统

一 计算机指令系统

1 计算机指令系统的发展

计算机的程序是由一系列的指令组成的,指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说, 计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。指令系统是指: 一台计算机中所有机器指令的集合, 它是表征一台计算机性能的重要因素, 其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构, 也直接影响到系统软件, 影响到机器的适用范围。指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程, 20 世纪50 年代: 指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令; 20 世纪60 年代后期: 增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令,指令数目多达一二百条, 寻址方式也趋多样化;20 世纪70 年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性, 不易调试维护, 造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI 技术实现的精简指令系统计算机( RISC) 。

指令系统是计算机体系结构最基本的特征。早期,人们采用微程序设计技术让指令系统变得日趋复杂, 后来逐渐认识到这种复杂指令系统计算机(CISC)并不能很好的提高系统性能,于是设计师们提出了精简指令系统计算机(RISC)体系结构,并在一个芯片上实现了CPU。随着RISC 微处理器迅速发展, 人们又发现RISC 指令系统并不能充分实现指令级并行处理,从而影响了计算机性能的进一步提高,又出现了超长指令字(VLIW)计算机指令系统。

2 计算机指令系统的研究

1 指令系统简介在计算机指令系统的优化发展过程中, 出现过两个截然不同的优化方向: CISC 技术和RISC 技术。CISC 是指复杂指令系统计算机(**plex Instruction Set **puter);

RISC是指精减指令系统计算机(Reduced Instruction Set**puter)。这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令, 也就是CPU 能够直接识别的指令。随着计算机系统的复杂, 要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初, 人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令, 把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现, 以此来提高计算机的执行速度, 这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机, 即plex InstructionSet puter, 简称CISC。另一种优化方法是在20 世纪80 年代才发展起来的, 其基本思想是尽量简化计算机指令功能, 只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令,而把较复杂的功能用一段子程序来实现, 这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。即Reduced Instruction Set puter, 简称RISC。RISC 技术的精华就是通过简化计算机指令功能, 使指令的平均执行周期减少, 从而提高计算机的工作主频, 同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。

2 RISC 的提出采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力. 这对提高计算机的性能是有益的。1979 年以帕特逊教授为首的一批科学家也开始在美国加册大学伯克莱分校开展这一研究。结果表明, CISC 存在许多缺点。首先,在这种计算机中, 各种指令的使用率相差悬殊:一个典型程序的运算过程所使用的80% 指令,只占一个处理器指令系统的20% , 事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令,这样一来, 长期致力于复杂指令系统的设计, 实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器。同时, 复杂的指令系统必然带来结构的复杂性, 这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计失误。此外, 尽管VLSI 技术现在已达到很高的水平, 但也很难把CISC 的全部硬件做在一个芯片上, 这也妨碍单片计算机的发展, 在CISC 中, 许多复杂指令需要极复杂的操作, 这类指令多数是某种高级语言的直接翻版, 因而通用性差. 由于采用二级的微码执行方式, 它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度。因而, 针对CISC 的这些弊病,帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令, 并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言, 按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set **puter-当前计算机发展的主流是什么呢？国内