计算机两种体系结构及指令集

计算机的两种体系结构

冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构

冯·诺依曼体系结构

冯·诺依曼体系的特点

1. 数据与指令都存储在存储器中,程序执行效率不高
2. 被大多数计算机所采用,简单
3. ARM7——冯诺依曼体系

哈佛体系结构

哈佛体系结构的特点

1. 程序存储器与数据存储器分开
2. 提供了较大的数存储器带宽
3. 适合于数字信号处理
4. 大多数DSP都是哈佛结构
5. ARM9是哈佛结构

两种指令集 – CISC和RISC

ARM是最成功也是第一个商业化的RISC。也是目前使用最广的基于RISC的处理器。

(一) CISC指令集

1980年以前，计算机设计的主要趋势是增加指令集的复杂程度，如:40年代的计算机只有7条指令，1973年的IBM370达到208种指令，1978年的VAX-11达到303条指令。指令过于复杂，机器的设计周期会很长，资金耗费会更大，处理器的设计、验证和维护日益复杂，芯片的面积越来越大，这些表明CISC不适宜构成更高性能的计算机。计算机大量的时间在进行数据搬移，而不是计算。

CISC指令集的主要缺点

• 20%与80%的问题：20%的简单指令如取数、运算和转移等占用了CPU执行时间80%以上，而80%的复杂指令仅占了CPU执行时间的20%左右。
• 指令复杂度对处理器的VLSI实现性能的影响：在计算机体系结构的VLSI实现时，为了达到更高的实现性能，要求VLSI实现的规整性，而CISC中，指令长短不一，控制逻辑的实现非常不规整，致使执行速度的进一步提高比较困难。
• 软硬件协同设计问题：在CISC中，通过增加指令系统的功能，简化了目标软件的设计，增加了硬件的复杂程度，同时增加了指令的执行时间，从而整个程序执行的时间增加。因此CISC降低了编程的复杂性，并不意味着缩短程序的执行时间。这里有个软硬件协同设计问题。

（二）RISC指令集

1980年，Patterson和Ditzel提出了RISC的设计思想。

RISC的中心思想是: 精简指令集的复杂度，简化指令实现的硬件设计，硬件只执行很有限的最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则由简单指令合成。

RISC思想大幅度提高了计算机的性能价格比,包括ARM在内的商业化的RISC设计证明了这种思路的正确性。一般来说，RISC处理器比同等的CISC处理器要快50%~75%，同时，RISC处理器更容易设计和实现。

RISC指令集的特点：

• 指令效率高：指令格式和长度固定，且指令类型少，指令功能简单，指令译码控制器采用硬布线逻辑，这样易于流水线的实现，进而获得高性能。大多数指令都是单周期指令。
• 程序的优化编译效率高：由于RISC指令系统强调了对称、均匀、简单，使得程序的优化编译效率高。
• 分开的Load/Store结构的存取指令：也只有这两条指令访问存储器，而数据处理指令只访问寄存器。而CISC一般允许将存储器中的数据作为数据处理指令的操作数。
• 基于多个通用寄存器堆操作：RISC寄存器较多，并且不同的寄存器用于不同的用途。

RISC体系结构的这些特点简化了处理器的设计，在体系结构的VLSI实现时更加有利于性能的增强。

RISC技术的历史贡献：

• 流水线：流水线是处理器中实现指令并行操作的最简单的方式，而且可使速度大为提高。
• 高时钟频率和单周期执行：由于RISC指令系统强调了对称、均匀、简单，使得程序的优化编译效率高。

RISC的缺点：

• 代码密度低：RISC比CISC代码密度低。
• RISC不能执行x86代码。
• 给优化编译程序带来了困难。

RISC组织结构比CISC结构有着显著的优点，主要表现在体系结构及VLSI实现上：

• 硬连线的指令译码逻辑;
  RISC指令集的简单性使得指令译码可以采取规则的译码逻辑，CISC处理器使用大的微码ROM进行指令译码，硬布线控制逻辑可以加快指令执行速度，减少微程序码中的指令解释开销。
• 便于流水线执行;
  RISC指令集的简单性也使得流水线实现更加有效，CISC处理器即使有也只允许极少的连续指令间的重叠(尽管它们现在允许）。
• 单周期执行;
  CISC处理器执行一条指令一般需要多个时钟周期。