摘  要： 闡述了計(jì)算機(jī)由誕生至現(xiàn)在主流處理器體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)的發(fā)展變化，對(duì)兩大主流技術(shù)CISC和RISC的主要特征進(jìn)行了介紹，并對(duì)基于這兩種體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)典架構(gòu)做了簡(jiǎn)單介紹和分析對(duì)比，指出了現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題，對(duì)未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展充滿期望。

　　關(guān)鍵詞： CISC；RISC；體系結(jié)構(gòu)；指令

　　處理器體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)研究的核心內(nèi)容是指令系統(tǒng)，程序開(kāi)發(fā)人員根據(jù)所給定的指令系統(tǒng)來(lái)編寫(xiě)軟件，以滿足用戶的需求。指令系統(tǒng)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能優(yōu)劣的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且直接影響到系統(tǒng)軟件的執(zhí)行效率及計(jì)算機(jī)的適用范圍。

1 體系結(jié)構(gòu)

　　計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)在不斷優(yōu)化和發(fā)展的過(guò)程中，出現(xiàn)兩個(gè)優(yōu)化方向：CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)與RISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代的處理器指令集設(shè)計(jì)中，兩者均有廣泛的應(yīng)用[1]。

　　1.1 CISC

　　為提高運(yùn)算速度，不得不將越來(lái)越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計(jì)算機(jī)的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)體系。Intel公司的X86系列是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來(lái)的奔騰、酷睿系列，每一代新的處理器都會(huì)有自己新的指令，而為了兼容以前的處理器平臺(tái)上的軟件，舊的指令集又必須保留，這就使得指令的解碼系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜。其特點(diǎn)在于這些復(fù)雜指令簡(jiǎn)化了目標(biāo)程序，縮小了高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器指令之間的語(yǔ)義差距。然而，在指令集中的各種指令使用頻率卻相差懸殊，IBM研究中心的John Cocke證明，計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行過(guò)程中約20%的指令承擔(dān)了80%的工作，而余下80%的指令卻不經(jīng)常使用[2]?；贑ISC存在的諸多不合理性，美國(guó)加州大學(xué)伯克萊分校于1979年提出了RISC的思想。

　　1.2 RISC

　　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。RISC是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于20世紀(jì)80年代的MIPS主機(jī)。其特點(diǎn)在于大部分指令能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢，使用小的指令集，使得代碼開(kāi)發(fā)變得更加容易，軟件開(kāi)發(fā)周期和測(cè)試縮短；采用硬布線控制邏輯，其處理能力強(qiáng)，速度快，不僅精簡(jiǎn)了指令系統(tǒng)，而且由于采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)，它的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理能力；時(shí)鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機(jī)器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。

　　1.3 VLIW

　　VLIW是一種融合了CISC與RISC指令集的設(shè)計(jì)思想與技術(shù)[3]，它利用編譯器把若干個(gè)簡(jiǎn)單的、無(wú)相互依賴的指令系統(tǒng)壓縮到同一個(gè)非常長(zhǎng)的指令字中。當(dāng)超長(zhǎng)指令字被從緩存或主存讀取進(jìn)處理器時(shí)，可以容易地分割出各個(gè)操作，并一次性分別分派到多個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元中并行執(zhí)行。采用靜態(tài)指令調(diào)度策略，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)從硬件中移走復(fù)雜性，構(gòu)造出簡(jiǎn)單而性能強(qiáng)大的處理器。簡(jiǎn)單硬件還允許時(shí)鐘的增長(zhǎng)速度比現(xiàn)有的復(fù)雜RISC芯片更快，而且更容易加入更多的功能菜單來(lái)挖掘代碼中存在的所有并行性。

2 體系架構(gòu)

　　處理器架構(gòu)是廠商給屬于同一系列的產(chǎn)品制定的一個(gè)規(guī)范，主要是用于區(qū)分不同類型的重要指標(biāo)。

　　2.1 ARM

　　ARM是一個(gè)32位精簡(jiǎn)指令集的中央處理器架構(gòu)，其廣泛使用在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。由于節(jié)能的特點(diǎn)，占了所有32位嵌入式處理器75%的比例，使它成為占全世界最多數(shù)的32位元架構(gòu)之一；可以在很多消費(fèi)性電子產(chǎn)品上看到，從便攜式裝置（如移動(dòng)電話、多媒體播放器、掌上型電玩和計(jì)算機(jī)等）到電腦周邊設(shè)備（硬盤(pán)、桌上型路由器），甚至在導(dǎo)彈的彈載計(jì)算機(jī)等軍用設(shè)施中都有它的存在；提供一系列內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案；由于所有產(chǎn)品均采用一個(gè)通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運(yùn)行。

　　2.2 MIPS

　　MIPS由美國(guó)著名MIPS科技公司開(kāi)發(fā)并授權(quán)，廣泛使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個(gè)人娛樂(lè)裝置與商業(yè)裝置上。MIPS是最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。與英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)相比，其具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)更快的下一代處理器。早期的MIPS架構(gòu)是32位，最新的版本已經(jīng)變成64位。

　　2.3 X86

　　Intel從16位微處理器8086開(kāi)始，定義了芯片的基本使用規(guī)則，286、386、486、586、奔騰、酷睿采用的是同一種CPU架構(gòu)，統(tǒng)稱X86。在30多年的發(fā)展史中，從桌面轉(zhuǎn)戰(zhàn)筆記本、服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)、編寫(xiě)設(shè)備，挫敗或者限制了很多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的發(fā)展，讓不少處理器廠商及其架構(gòu)技術(shù)成為歷史名字。X86家族不斷壯大，成就了Intel如日中天的地位，也成為了一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)創(chuàng)了一個(gè)新時(shí)代。

　　2.4 IA-64

　　英特爾為了全面提高以前32位處理器的運(yùn)算性能，與惠普共同開(kāi)發(fā)了64位處理器架構(gòu)，定位于服務(wù)器市場(chǎng)。其目的是想擺脫容量巨大的X86架構(gòu)，從而引入精力充沛而又功能強(qiáng)大的指令集。IA-64 在很多方面都比X86有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，突破了傳統(tǒng)IA32架構(gòu)的許多限制，在數(shù)據(jù)的處理能力、系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可用性、可管理性等方面獲得了突破性的提高。由于IA-64不能很好地解決與X86架構(gòu)的兼容問(wèn)題，所以其應(yīng)用受到了較大的限制。

3 國(guó)產(chǎn)處理器體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)

　　信息安全涉及到的核心問(wèn)題就是處理器，目前國(guó)內(nèi)大多計(jì)算機(jī)與服務(wù)器的處理器都非自主研發(fā)。國(guó)產(chǎn)主流體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)如表1所示。

　?。?）北大眾志是國(guó)內(nèi)最早研發(fā)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)微處理器的單位。它推出了國(guó)內(nèi)第一套支持微處理器正向設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)及16位定點(diǎn)微處理器UniCore16原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)CPU“零”的突破。通過(guò)自身的不斷努力，其已形成包括16位、32位、64位類RISC體系的自定義指令系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于筆記本電腦、安全微工作站、面向3C/三網(wǎng)融合等消費(fèi)類電子產(chǎn)品。

　?。?）蘇州國(guó)芯是從事基于Motorola 32位與PowerPC架構(gòu)的RISC嵌入式CPU C*Core技術(shù)研究的單位[4]，在信息安全、消費(fèi)電子、辦公自動(dòng)化、通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制產(chǎn)品、汽車控制等各類嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，甚至在公安、國(guó)防上也有所應(yīng)用。

　?。?）江南計(jì)算技術(shù)研究所研發(fā)的申威處理器[5]源自于DEC的Alpha 21164，采用基于RISC的自主指令集、Alpha架構(gòu)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，運(yùn)用到我國(guó)公開(kāi)面世的“神威藍(lán)光”超級(jí)計(jì)算機(jī)上，達(dá)到每秒千萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算能力，多應(yīng)用在高性能工作站或國(guó)產(chǎn)服務(wù)器上。

　?。?）國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)微處理器采用RISC結(jié)構(gòu)之一的SPARC開(kāi)放架構(gòu)，其研究主要應(yīng)用于軍用領(lǐng)域以及高端服務(wù)器上[6]。我國(guó)第一臺(tái)千萬(wàn)億次服務(wù)器“天河1號(hào)”以及目前全球最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)天河二號(hào)都是出自國(guó)防科技大學(xué)之手，其在天氣預(yù)報(bào)、氣候模擬、生物醫(yī)藥、工程設(shè)計(jì)與仿真分析、新材料、海洋環(huán)境研究等多個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。

　?。?）中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在堅(jiān)持走自主開(kāi)放式創(chuàng)新之路，購(gòu)買了MIPS指令授權(quán)，自主研制開(kāi)發(fā)了龍芯系列CPU[7]，促進(jìn)了我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。龍芯系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是低功耗、低成本和完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。龍芯主要應(yīng)用于電子類消費(fèi)產(chǎn)品和嵌入式防火墻、嵌入式網(wǎng)關(guān)等低端嵌入式領(lǐng)域以及航空航天等特殊應(yīng)用環(huán)境。

　　從目前計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，體系結(jié)構(gòu)的兩種典型代表CISC和RISC各自有著豐富的內(nèi)容，其界限日益模糊。基于兩種體系的處理器的運(yùn)算速度也越來(lái)越快，性能愈來(lái)愈高，兩種體系的廠商陣營(yíng)都在展開(kāi)著速度與性能的競(jìng)賽。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 張寧輝.計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的發(fā)展與研究[J].黑龍江科技信息，2008（6）：75.

　　[3] 陳瑞森.基于CISC/RISC的混合指令集構(gòu)建[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（16）：49-52.

　　[4] C*Core CPU設(shè)計(jì)技術(shù)[J].中國(guó)集成電路，2009（5）：28-29.

　　[5] 申威處理器[EB/OL].[2014-05-20].http：//baike.baidu.com/view/6792168.htm.

　　[6] 銀河飛騰處理器[EB/OL].[2014-05-02].http：//baike.baidu.com/view/4103926.htm.

　　[7] 為民.“龍芯”的豪情與壯志[J].中國(guó)集成電路，2008（7）：36-40.