计算机组成原理论文[1]

基于CPU指令集和SC指令和CISC指令及兼容问题分析

08计本（四）0804014038——高磊摘要：

计算机的不断普及，越来越多的人可以体验到计算机给我们生活带来的方便和快捷！同时人们对计算机的性能指标的要求也在不断的提高。特别是大型3D游戏和越来越多高速处理的软件对计算机的性能将是一个挑战！而此时作为计算机的核心部件CPU则起到了举足轻重的作用！而现在绝大多数的PC的CPU所用的指令集为CISC（复杂指令系统计算机）指令集，特别是随着计算机功能的不断强大，CISC（复杂指令系统计算机）指令集将显的冗杂不堪！不仅增加了计算机系统的软件的价格还严重制约了计算机的性能的发挥！但随着人们的研究和不断探索，RICS（精简指令系统计算机）呼之欲出了！RICS（精简指令系统计算机）顾名思义，简而言之即是将在CISC（复杂指令系统计算机）的基础上将计算机的指令中一些指令组合形成复杂的指令，这样就不必要存储过多的指令！从而达到精简指令的目的！但随着CPU的复杂性不断增加，RISC又该怎么办，我们将拭目以待！

关键字：CPU，CISC，RICS，指令。

正文：

CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令集合。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。从现阶段的主流系统结构讲，指令即可分为复杂指令集合和精简指令集合两部分，而从具体运用看，如Inter的MNX（Multi Media Extended）、SSE、SSE2、SSE3和AMD的3DNow！等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图像图形和Internet等的处理能力。我们通常会把CPU的扩展指令集称为“CPU指令集”。

1. CISC指令集

CISC指令集，也称为复杂指令集合，英文名CISC。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的。每条指令的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

•早期的计算机结构简单, 指令条数少, 指令系统功能弱, 计算机的性能较差。

•随着VLSI技术的迅速发展，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，促进人们在指令系统中增加更多的指令和更复杂的指令，以适应不同应用领域的需要。

•特别是系列机问世之后，为了能做到程序兼容，新设机型或高档机除了要继承老机器的指令系统中的全部指令外，还要增加若干新的指令，从而导致同一系列计算机的指令系统越来越复杂，机器结构也越来越复杂。

对CISC指令系统所作的运行统计分析表明，各种指令使用频率相差悬殊，常用的较为简单的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中使用的频率却占80％。下表是ＨＰ公司研究了IBM 370计算机的高级语言运行情况后所得到的统计数据

根据上述分析情况，国外一些计算机公司和大学开展了对指令系统合理性的研究，1975年IBM公司的John Cocke提出了精简指令系统的想法，后来出现了各种

各样的“精简指令系统计算机”，简称RISC（Reduced Instruction Set Computer）。

也称为RISC技术。

2.早期CISC设计风格的主要特点：

(1) 指令系统复杂。具体表现在指令数多、寻址方式多、指令格式多；

(2) 绝大多数指令需要多个时钟周期才能执行完成；

(3) 各种指令都可访问存储器；

(4) 采用微程序控制；

(5) 有专用寄存器；

(6) 难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

3．RISC技术的主要特征：

（1）一个有限的简单指令集：

·选用使用频率最高（80%-90%）的一些简单指令；

·指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少；

·只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；

（2） CPU配备大量的通用寄存器，以寄存器－寄存器方式工作，减少访存操作；

（3）强调指令流水线的优化，使大多指令可在一个时钟周期内执行完毕；

（4）采用由阵列逻辑实现的组合电路控制器，不用或少用微程序；

（5）采用优化编译技术，对寄存器分配进行优化，保证流水线畅通。

相比之下，CISC的指令系统复杂庞大，各种指令使用频率相差很大；指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多；可以访存的指令不受限制；CPU中设有专用寄

存器；绝大多数指令需要多个时钟周期方可执行完毕；采用微程序控制器；难以用

优化编译生成高效的代码。

机器名指令数机器名指令数

RISC II 39 ACORN 44

MIPS 31 INMOS 111

IBM801 120 IBM NT 118

MIRIS 64 HPPA 140

PYRAMID 128 CLIPPER 101

RIDGE 128 SPARC 89

4. 指令系统的兼容问题

(1) CISC的兼容性

当前，计算机公司生产的各种CISC都能够实现软件兼容，新型号或高档机包含了旧型号或抵挡机的全部指令并加以扩充。因此，用户的目标码程序可以不加修改直接在新机器上运行。

(2) RISC的兼容性

• RISC机则将指令做了简化，数量减少，格式也不同，与老机器不能兼容。因为大多数用户的程序是用高级语言编写的，重新在RISC上编译一次即可运行。

• 有的公司仍然考虑到目标码兼容的问题，例如HP公司开发的目标码翻译器与浮点数转换软件等，可使目标码程序在采用RISC技术的精密体系计算机中运行.

多年来计算机体系结构和组织的趋势是增加CPU的复杂性，即使用更多的寻址方式及更加专门的寄存器等。RISC的出现象征着与这种趋势根本决裂，自然地引起RISC和CISC的争端。随着技术不断不发展，RISC和CISC还不能说是截然不同的两大体系，很难对他们做出明确的评价。最近几年，RISC和CISC和争端已经减少了好多。原因在于这两种技术已经融合。特别是集成度和硬件速度的增加，RISC系统越来越复杂。与此同时，在努力挖掘最大性能的过程中，CISC的设计已集中到和RISC 相关的主题上来，所以人们很难去评价他们的优越性了。但我们相信随着科技的不断发展，更简和兼容性更高的新型指令会取代今天的技术，那时我们使用计算机将更便捷处理问题将更迅速！

参考文献：

[1] 唐朔飞.计算机组成原理[M].北京：高等教育出版社，2000

[2] 唐朔飞.计算机组成原理：学习指导与习题解答[M] .北京：高等教育出版社，2005

[3]孙德文，等.微型计算机技术[M] .北京：高等教育出版社，2006