摘  要： 闡述了計算機由誕生至現(xiàn)在主流處理器體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)的發(fā)展變化，對兩大主流技術(shù)CISC和RISC的主要特征進行了介紹，并對基于這兩種體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)典架構(gòu)做了簡單介紹和分析對比，指出了現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)中存在的問題，對未來計算機發(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)，程序開發(fā)人員根據(jù)所給定的指令系統(tǒng)來編寫軟件，以滿足用戶的需求。指令系統(tǒng)是一臺計算機中所有機器指令的集合，是表征一臺計算機性能優(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)行效率及計算機的適用范圍。

1 體系結(jié)構(gòu)

　　計算機指令系統(tǒng)在不斷優(yōu)化和發(fā)展的過程中，出現(xiàn)兩個優(yōu)化方向：CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)與RISC精簡指令系統(tǒng)。在現(xiàn)代的處理器指令集設(shè)計中，兩者均有廣泛的應(yīng)用[1]。

　　1.1 CISC

　　為提高運算速度，不得不將越來越多的復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)中，以提高計算機的處理效率，這就逐步形成復(fù)雜指令集計算機體系。Intel公司的X86系列是典型的CISC體系的結(jié)構(gòu)，從最初的8086到后來的奔騰、酷睿系列，每一代新的處理器都會有自己新的指令，而為了兼容以前的處理器平臺上的軟件，舊的指令集又必須保留，這就使得指令的解碼系統(tǒng)越來越復(fù)雜。其特點在于這些復(fù)雜指令簡化了目標程序，縮小了高級語言與機器指令之間的語義差距。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，計算機程序執(zhí)行過程中約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)必然帶來結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不但增加了設(shè)計的時間與成本，還容易造成設(shè)計失誤。RISC是一種執(zhí)行較少類型計算機指令的微處理器，起源于20世紀80年代的MIPS主機。其特點在于大部分指令能在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢，使用小的指令集，使得代碼開發(fā)變得更加容易，軟件開發(fā)周期和測試縮短；采用硬布線控制邏輯，其處理能力強，速度快，不僅精簡了指令系統(tǒng)，而且由于采用超標量和超流水線結(jié)構(gòu)，它的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強了并行處理能力；時鐘頻率低，功率消耗少，溫升也少，機器不易發(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)計思想與技術(shù)[3]，它利用編譯器把若干個簡單的、無相互依賴的指令系統(tǒng)壓縮到同一個非常長的指令字中。當(dāng)超長指令字被從緩存或主存讀取進處理器時，可以容易地分割出各個操作，并一次性分別分派到多個獨立的執(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)點是通過從硬件中移走復(fù)雜性，構(gòu)造出簡單而性能強大的處理器。簡單硬件還允許時鐘的增長速度比現(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)品制定的一個規(guī)范，主要是用于區(qū)分不同類型的重要指標。

　　2.1 ARM

　　ARM是一個32位精簡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)計中。由于節(jié)能的特點，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；可以在很多消費性電子產(chǎn)品上看到，從便攜式裝置（如移動電話、多媒體播放器、掌上型電玩和計算機等）到電腦周邊設(shè)備（硬盤、桌上型路由器），甚至在導(dǎo)彈的彈載計算機等軍用設(shè)施中都有它的存在；提供一系列內(nèi)核、體系擴展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案；由于所有產(chǎn)品均采用一個通用的軟件體系，所以相同的軟件可在所有產(chǎn)品中運行。

　　2.2 MIPS

　　MIPS由美國著名MIPS科技公司開發(fā)并授權(quán)，廣泛使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人娛樂裝置與商業(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)問題。與英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)相比，其具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進的技術(shù)，開發(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、超級計算機、編寫設(shè)備，挫敗或者限制了很多競爭對手的發(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)界標準，開創(chuàng)了一個新時代。

　　2.4 IA-64

　　英特爾為了全面提高以前32位處理器的運算性能，與惠普共同開發(fā)了64位處理器架構(gòu)，定位于服務(wù)器市場。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大的指令集。IA-64 在很多方面都比X86有了長足的進步，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)的兼容問題，所以其應(yīng)用受到了較大的限制。

3 國產(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題就是處理器，目前國內(nèi)大多計算機與服務(wù)器的處理器都非自主研發(fā)。國產(chǎn)主流體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)如表1所示。

　?。?）北大眾志是國內(nèi)最早研發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)微處理器的單位。它推出了國內(nèi)第一套支持微處理器正向設(shè)計的開發(fā)平臺及16位定點微處理器UniCore16原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了國內(nèi)CPU“零”的突破。通過自身的不斷努力，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)融合等消費類電子產(chǎn)品。

　　（2）蘇州國芯是從事基于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、消費電子、辦公自動化、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、國防上也有所應(yīng)用。

　?。?）江南計算技術(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)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)，運用到我國公開面世的“神威藍光”超級計算機上，達到每秒千萬億次浮點運算能力，多應(yīng)用在高性能工作站或國產(chǎn)服務(wù)器上。

　?。?）國防科學(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]。我國第一臺千萬億次服務(wù)器“天河1號”以及目前全球最快的超級計算機天河二號都是出自國防科技大學(xué)之手，其在天氣預(yù)報、氣候模擬、生物醫(yī)藥、工程設(shè)計與仿真分析、新材料、海洋環(huán)境研究等多個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。

　?。?）中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所在堅持走自主開放式創(chuàng)新之路，購買了MIPS指令授權(quán)，自主研制開發(fā)了龍芯系列CPU[7]，促進了我國信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。龍芯系列產(chǎn)品的特點是低功耗、低成本和完全自主知識產(chǎn)權(quán)。龍芯主要應(yīng)用于電子類消費產(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。

　　從目前計算機體系結(jié)構(gòu)與架構(gòu)的發(fā)展趨勢來看，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?；趦煞N體系的處理器的運算速度也越來越快，性能愈來愈高，兩種體系的廠商陣營都在展開著速度與性能的競賽。

　　參考文獻

　　[1] 施志林.RISC_CISC技術(shù)比較與研究[J].中國科技信息，2008（11）：131-132.

　　[2] 張寧輝.計算機指令系統(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)計技術(shù)[J].中國集成電路，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].中國集成電路，2008（7）：36-40.