主流处理器体系结构与架构发展现状综述

　　摘 要： 阐述了计算机由诞生至现在主流处理器体系结构与架构的发展变化，对两大主流技术CISC和RISC的主要特征进行了介绍，并对基于这两种体系结构的经典架构做了简单介绍和分析对比，指出了现有体系结构中存在的问题，对未来计算机发展充满期望。

　　关键词： CISC；RISC；体系结构；指令

　　处理器体系结构与架构研究的核心内容是指令系统，程序开发人员根据所给定的指令系统来编写软件，以满足用户的需求。指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合，是表征一台计算机性能优劣的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且直接影响到系统软件的执行效率及计算机的适用范围。

1 体系结构

　　计算机指令系统在不断优化和发展的过程中，出现两个优化方向：CISC复杂指令系统与RISC精简指令系统。在现代的处理器指令集设计中，两者均有广泛的应用[1]。

　　1.1 CISC

　　为提高运算速度，不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率，这就逐步形成复杂指令集计算机体系。Intel公司的X86系列是典型的CISC体系的结构，从最初的8086到后来的奔腾、酷睿系列，每一代新的处理器都会有自己新的指令，而为了兼容以前的处理器平台上的软件，旧的指令集又必须保留，这就使得指令的解码系统越来越复杂。其特点在于这些复杂指令简化了目标程序，缩小了高级语言与机器指令之间的语义差距。然而，在指令集中的各种指令使用频率却相差悬殊，IBM研究中心的John Cocke证明，计算机程序执行过程中约20%的指令承担了80%的工作，而余下80%的指令却不经常使用[2]。基于CISC存在的诸多不合理性，美国加州大学伯克莱分校于1979年提出了RISC的思想。

　　1.2 RISC

　　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。RISC是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于20世纪80年代的MIPS主机。其特点在于大部分指令能在一个时钟周期内执行完毕，使用小的指令集，使得代码开发变得更加容易，软件开发周期和测试缩短；采用硬布线控制逻辑，其处理能力强，速度快，不仅精简了指令系统，而且由于采用超标量和超流水线结构，它的指令数目只有几十条，却大大增强了并行处理能力；时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。

　　1.3 VLIW

　　VLIW是一种融合了CISC与RISC指令集的设计思想与技术[3]，它利用编译器把若干个简单的、无相互依赖的指令系统压缩到同一个非常长的指令字中。当超长指令字被从缓存或主存读取进处理器时，可以容易地分割出各个操作，并一次性分别分派到多个独立的执行单元中并行执行。采用静态指令调度策略，其优点是通过从硬件中移走复杂性，构造出简单而性能强大的处理器。简单硬件还允许时钟的增长速度比现有的复杂RISC芯片更快，而且更容易加入更多的功能菜单来挖掘代码中存在的所有并行性。

2 体功率电感系架构

　　处理器架构是厂商给属于同一系列的产品制定的一个规范，主要是用于区分不同类型的重要指标。

　　2.1 ARM

　　ARM是一个32位精简指令集的中央处理器架构，其广泛使用在嵌入式系统的设计中。由于节能的特点，占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位元架构之一；可以在很多消费性电子产品上看到，从便携式装置（如移动电话、多媒体播放器、掌上型电玩和计算机等）到电脑周边设备（硬盘、桌上型路由器），甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在；提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案；由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的一体成型电感厂家软件可在所有产品中运行。

　　2.2 MIPS

　　MIPS由美国著名MIPS科技公司开发并授权，广泛使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。MIPS是最早的商业RISC架构芯片之一，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。与英特尔采用的复杂指令系统计算结构相比，其具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。早期的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

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