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)越來越復雜。其特點在于這些復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%的指令承擔了80%的工作，而余下80%的指令卻不經(jīng)常使用[2]。基于CISC存在的諸多不合理性，美國加州大學伯克萊分校于1979年提出了RISC的思想。

　　1.2 RISC

　　復雜的指令系統(tǒng)必然帶來結(jié)構(gòu)的復雜性，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。

　　（1）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。

　　（3）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。

　　（4）國防科學技術(shù)大學微處理器采用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之手，其在天氣預報、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。

　　（5）中國科學院計算技術(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。基于兩種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.