cpu指令系统又称什么

发布时间:2017-03-22 16:15

CPU作为电脑的核心组成部份,它的好坏直接影响到电脑的性能。下面是小编带来的关于cpu指令系统又称什么的内容,欢迎阅读!

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指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合,是一个CPU的根本属性。比如我们现在所用的CPU都是采用x86指令集的,他们都是同一类型的CPU,不管是INTEL的CPU、还是IMD的Athlon或Joshua。

世界上还有比这些更快的CPU,比如Alpha,但它们不是用x86指令集,不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序,如Windows98。

之所以说指令系统是一个CPU的根本属性,是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。 所有采用高级语言编出的程序,都需要翻译(编译或解释)成为机器语言后才能运行,这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。 1、 指令的格式 一条指令一般包括两个部分:操作码和地址码。操作码其实就是指令序列号,用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。地址码则复杂一些,主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。在某些指令中,地址码可以部分或全部省略,比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。

举个例子吧,某个指令系统的指令长度为32位,操作码长度为8位,地址长度也为8位,且第一条指令是加,第二条指令是减。当它收到一个“00000010000001000000000100000110”的指令时,先取出它的前8位操作码,即00000010,分析得出这是一个减法操作,有3个地址,分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是,CPU就到内存地址00000100处取出被减数,到00000001处取出减数,送到ALU中进行减法运算,然后把结果送到00000110处。

早期的CPU都采用CISC指令,最典型的就是x86系列处理器。CISC的特点是有大量复杂的指令、指令长度可变、寻址方式多样。

在计算机发展之初,CPU指令系统包含很少的指令,一些复杂的操作通过简单指令的组合来实现,如两个数a和b相乘可以用a个b的加法来实现。随着集成电路技术的迅速发展,为了软件编程方便和提高程序运行速度,在CPU的设计中不断增加可实现复杂功能的指令,如乘法运算中直接使用乘法指令而不是多个数的累加。随着复杂指令增多,CPU指令系统变得越来越复杂。

指令越来越多、越来越复杂带来另一个问题,因为指令系统的指令数量由指令操作码的位数决定。如指令数量为n,指令码位数为k,则 。CPU指令编码宽度不可能随意增加,促使操作码扩展技术出现。假如操作码为2位,则正常情况可表示四个指令,分别是00, O1, 10, 11。为了增加指令长度,如果把编码“11”作为扩展码,并把操作码扩展到4位,则该指令系统就有 00, O1, 10, 1100, 1101, 1110, 1111等七条指令,这就是长度可变的操作码编码方式。

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上述这种具有大量复杂指令、指令长度可变、且寻址方式多样的指令系统就是传统CISC指令系统。

采用CISC (Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)的计算机有着较强的处理高级语言的能力,这有益于提高计算机的性能,但另一方面,复杂的指令、变长的编码、灵活的寻址方式大大增加了指令解码的难度,而在现在的高速硬件发展下,复杂指令所带来的速度提升已不及在解码上浪费点的时间。

IBM公司于1975年组织力量研究指令系统的合理性问题,发现CISC存在的一些缺点:首先,在这种计算机中,各种指令的使用率差别很大,一个典型程序的运算过程所使用的80%指令,只占一个处理器指令系统的20,最频繁使用的是取、存和加这些最简单的指令,而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。复杂的指令系统必然带来结构的复杂性,增加了设计、制造的难度,尽管大规模集成电路技术已达发展到很高的水平,但也很难把CISC的全部硬件做在一个芯片上,妨碍单片计算机的发展;另外,在CISC中,许多复杂指令需要完成复杂的操作,这类指令多数是某种高级语言的直接翻版,因而通用性差,采用二级的微码执行方式,降低了那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度。

针对CISC的这些弊病,业界提出了精简指令的设计思想,即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令,并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言,按照这个原则发展而成的计算机被称为RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)。

RISC的最大特点是指令长度固定,指令种类少,寻址方式种类少,大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成,易于设计超标量与流水线,寄存器数量多,大量操作在寄存器之间进行。一般认为RISC处理器有以下几个方面的优点:

1)芯片面积小

实现精简的指令系统需要的晶体管少,芯片面积自然就小一些。节约的面积可以用于实现提高性能的功能部件,如高速缓存、存储器管理和浮点运算器等,也便于在单片上集成更多其它模块,如网络控制器、语音/视频编码器、SDRAM控制器、PCI总线控制器等。

2)开发时间短

开发一个结构简洁的处理器在人力、物力上的投入要更少,整个开发工作的开发时间更易于预测可控制。

3)性能高

在CISC处理器中,一些复杂的操作有专用的指令,对于单个的操作使用专用指令可以提高处理效率,但复杂指令的使用降低了所有其它指令的执行效率。完成同样功能的程序时,RISC处理器需要更多的指令,但RISC单个指令执行效率高,而且RISC处理器容易实现更高的工作频率,从来使整体性能得到提高。RIS C处理器的性能上的优点在处理器发展的实践中得到验证。

目前,通用计算机,如个人电脑、服务器等大多采用CISC结构的x86处理器,随着技术的发展,新的x86处理器融合了RISC的特性。在嵌入式处理器中,RISC技术则得到普遍的应用,如MIPS处理器、ARM处理器等。

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