文章目錄

• • 計算機的兩種體系結構
  • • 馮·諾依曼體系結構
    • 哈佛體系結構
  • 兩種指令集 -- CISC和RISC
  • • (一) CISC指令集
    • • CISC指令集的主要缺點
    • （二）RISC指令集
    • • RISC指令集的特點：
      • RISC技術的歷史貢獻：
      • RISC的缺點：

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馮·諾依曼體系結構和哈佛體系結構

馮·諾依曼體系結構

馮·諾依曼體系的特點

1. 數(shù)據(jù)與指令都存儲在存儲器中,程序執(zhí)行效率不高
2. 被大多數(shù)計算機所采用,簡單
3. ARM7——馮諾依曼體系

哈佛體系結構

哈佛體系結構的特點

1. 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開
2. 提供了較大的數(shù)存儲器帶寬
3. 適合于數(shù)字信號處理
4. 大多數(shù)DSP都是哈佛結構
5. ARM9是哈佛結構

兩種指令集 – CISC和RISC

ARM是最成功也是第一個商業(yè)化的RISC。也是目前使用最廣的基于RISC的處理器。

(一) CISC指令集

1980年以前，計算機設計的主要趨勢是增加指令集的復雜程度，如:40年代的計算機只有7條指令，1973年的IBM370達到208種指令，1978年的VAX-11達到303條指令。指令過于復雜，機器的設計周期會很長，資金耗費會更大，處理器的設計、驗證和維護日益復雜，芯片的面積越來越大，這些表明CISC不適宜構成更高性能的計算機。計算機大量的時間在進行數(shù)據(jù)搬移，而不是計算。

CISC指令集的主要缺點

• 20%與80%的問題：20%的簡單指令如取數(shù)、運算和轉移等占用了CPU執(zhí)行時間80%以上，而80%的復雜指令僅占了CPU執(zhí)行時間的20%左右。
• 指令復雜度對處理器的VLSI實現(xiàn)性能的影響：在計算機體系結構的VLSI實現(xiàn)時，為了達到更高的實現(xiàn)性能，要求VLSI實現(xiàn)的規(guī)整性，而CISC中，指令長短不一，控制邏輯的實現(xiàn)非常不規(guī)整，致使執(zhí)行速度的進一步提高比較困難。
• 軟硬件協(xié)同設計問題：在CISC中，通過增加指令系統(tǒng)的功能，簡化了目標軟件的設計，增加了硬件的復雜程度，同時增加了指令的執(zhí)行時間，從而整個程序執(zhí)行的時間增加。因此CISC降低了編程的復雜性，并不意味著縮短程序的執(zhí)行時間。這里有個軟硬件協(xié)同設計問題。

（二）RISC指令集

1980年，Patterson和Ditzel提出了RISC的設計思想。

RISC的中心思想是: 精簡指令集的復雜度，簡化指令實現(xiàn)的硬件設計，硬件只執(zhí)行很有限的最常用的那部分指令，大部分復雜的操作則由簡單指令合成。

RISC思想大幅度提高了計算機的性能價格比,包括ARM在內的商業(yè)化的RISC設計證明了這種思路的正確性。一般來說，RISC處理器比同等的CISC處理器要快50%~75%，同時，RISC處理器更容易設計和實現(xiàn)。

RISC指令集的特點：

• 指令效率高：指令格式和長度固定，且指令類型少，指令功能簡單，指令譯碼控制器采用硬布線邏輯，這樣易于流水線的實現(xiàn)，進而獲得高性能。大多數(shù)指令都是單周期指令。
• 程序的優(yōu)化編譯效率高：由于RISC指令系統(tǒng)強調了對稱、均勻、簡單，使得程序的優(yōu)化編譯效率高。
• 分開的Load/Store結構的存取指令：也只有這兩條指令訪問存儲器，而數(shù)據(jù)處理指令只訪問寄存器。而CISC一般允許將存儲器中的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)處理指令的操作數(shù)。
• 基于多個通用寄存器堆操作：RISC寄存器較多，并且不同的寄存器用于不同的用途。

RISC體系結構的這些特點簡化了處理器的設計，在體系結構的VLSI實現(xiàn)時更加有利于性能的增強。

RISC技術的歷史貢獻：

• 流水線：流水線是處理器中實現(xiàn)指令并行操作的最簡單的方式，而且可使速度大為提高。
• 高時鐘頻率和單周期執(zhí)行：由于RISC指令系統(tǒng)強調了對稱、均勻、簡單，使得程序的優(yōu)化編譯效率高。

RISC的缺點：

• 代碼密度低：RISC比CISC代碼密度低。
• RISC不能執(zhí)行x86代碼。
• 給優(yōu)化編譯程序帶來了困難。

RISC組織結構比CISC結構有著顯著的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在體系結構及VLSI實現(xiàn)上：

• 硬連線的指令譯碼邏輯;
  RISC指令集的簡單性使得指令譯碼可以采取規(guī)則的譯碼邏輯，CISC處理器使用大的微碼ROM進行指令譯碼，硬布線控制邏輯可以加快指令執(zhí)行速度，減少微程序碼中的指令解釋開銷。
• 便于流水線執(zhí)行;
  RISC指令集的簡單性也使得流水線實現(xiàn)更加有效，CISC處理器即使有也只允許極少的連續(xù)指令間的重疊(盡管它們現(xiàn)在允許）。
• 單周期執(zhí)行;
  CISC處理器執(zhí)行一條指令一般需要多個時鐘周期。

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