计算机组成原理课程论文

复杂指令集CISC

【内容摘要】

本文论述了复杂指令集的历史、发展，通过一些实例和CISC和RISC的区别来更好地证明CISC可以适用的好处。虽然复杂指令存在一定的缺点有些落后，但是它兼容以前的CPU 平台上的软件，所以人们还一直沿用这种技术。

【关键词】CPU，复杂指令，指令集，CISC，RISC

（一）复杂指令集综述：

复杂指令集，也称为CISC指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computer的缩写）。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。其实它是英特尔生产的x86系列（也就是IA-32架构）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64（也被称为AMD64）都是属于CISC的范畴。

（二）复杂指令集的历史与发展：

复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）早期的计算机部件比较昂贵，主频低，运算速度慢。为了提高运算速度，人们不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统当中，以提高计算机的处理效率，这就逐步形成了复杂指令集计算机体系。

随着时代的发展计算机也在不断地更新原的设备已经满足不了现在的地需求，所以要有进一步的改良。在计算机指令系统的优化发展过程中，出现过两个截然不同的优化方向就是CISC（复杂指令集）技术和RISC（精简指令集）技术。由于计算机系统的复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初，人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，我们所说的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令，也就是CPU能够直接识别的指令，为了在有限的指令长度内实现更多的指令，人们又设计了操作码扩展。然后，为了达到操作码扩展的先决条件——减少地址码，设计师又发现了各种寻址方式，如基址寻址、相对寻址等，以最大限度地压缩地址长度，为操作码留出空间。把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机。另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。RISC技术的精华就是通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。

从计算机诞生以来，人们一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面软件是按CISC设计的，并一直沿用。Intel公司的X86系列CPU是典型的CISC体系的结构，从最初的8086到后来的Pentium系列，每出一代新的CPU，都会有自己新的指令，而为了兼容以前的CPU平台上的软件，旧的CPU的指令集又必须保留，这就使指令的解码系统越来越复杂。桌面计算机流行的x86体系结构即使用CISC。微处理器（CPU）厂商一直在走CISC的发展道路，包括Intel、AMD，还有其他一些现在已经更名的厂商，如TI（德州仪器）、Cyrix以及VIA（威盛）等。为了支持复杂指令集，CISC通常包括一个复杂的数据通路和一个微程序控制CISC器。微程序控制器由一个微程序存储器、一个微程序计数器（MicroPC）和地址选择逻辑构成。在微程序存储器中的每一个字都表示一个控制字，并且包含了一个时钟周期内所有数据通路控制信号的值。这就意味着控制字中的每一位表示一个数据通路控制线的值。例如，它可以用于加载寄存器或者选择ALU中的一个操作。在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CISC架构的服务器主要以IA-32架构（IntelArchitecture，英特尔架构）为主，而且多数为中低档服务器所采用。此外每个处理器指令都由一系列的控制字组成。当从内存中取出这样的一条指令时，首先把它放在指令寄存器中，然后地址选择逻辑再根据他来确定微程序存储器中相应的控制字顺序起始地址。当把该起始地址放入MicroPC中后，就从微程序内存中找到相应的控制字，并利用它在数据通路中把数据从一个寄存器传送到另一个寄存器。由于MicroPC中的地址并发递增来指向下一个控制字，因此对于序列中的每个控制器都会重复一遍这一步骤。最终，当执行完最后一个控制字时，就从内存中取出一条新的指令，整个过程会重复进行。由此可见，控制字的数量及时钟周期的数目对于每一条指令都可以是不同的。因此在CISC中很难实现指令流水操作。另外，速度相对较慢的微程序存储器需要一个较长的时钟周期。由于指令流水和短的时钟周期都是快速执行程序的必要条件，因此CISC体系结构对于高效处理器而言不太合适的。

长期以来，计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得的。集成电路技术的发展，特别是VLSI（超大规模集成电路）技术的迅速发展，为了软件编程更加方便和提高程序的运行速度，硬件工程师采用的办法是不断地增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式。甚至某些指令可支持高级语言语句归类后的复杂操作，致使硬件越来越复杂，造价也相应被提高。为了实现复杂操作，微处理器除了向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外，还通过存储在只读存储器(ROM)中的微程序来实现其强大的功能。微处理在分析每一条指令之后，执行一系列初级指令运算来完成所需的功能。微处理器是台式计算机系统的基本处理部件，每个微处理器的核心是运行指令的电路。指令由完成任务的多个步骤所组成，把数值传送进寄存器或进行相加运算。早期的CPU全部是CISC架构，它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。比如对于乘法运算，在CISC架构的CPU 上，您可能需要这样一条指令：MUL ADDRA， ADDRB就可以将ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。将ADDRA， ADDRB中的数据读入到寄存器当中，相乘后将结果存入内存的操作，这些操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现的。这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求性，但对于编译器的开发却十分有利。一般CISC计算机所含

的指令数目至少300条以上，有的甚至超过500条。

（三）CISC与RISC：

我们经常谈论有关“PC”与“Macintosh”的话题，但是又有多少人知道以Intel 公司X86为核心的PC系列正是基于CISC体系结构，而 Apple公司的Macintosh则是基于RISC体系结构，CISC与RISC到底有何区别！从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的加工处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。因此在并行处理方面明显优于CISC，RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行。由于RISC执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。从软件角度来看，CISC运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而且RISC拥有大量的应用程序。因为全世界有65%以上的软件厂商都是为基于CISC体系结构的PC及其兼容机服务的，像赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。而RISC在此方面却显得有些势单力薄。虽然在RISC上也可运行DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要慢许多。采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力。这对提高CISC计算机的性能是有益的。

CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)是当前CPU的两种架构。它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。早期的CPU全部是CISC架构，它的设计目的是 CISC 要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。RISC和CISC是设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同。因此，在很多方面差异很大，主要体现在：（1）指令系统：RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，经常通过组合指令来完成。因此，在RISC机器上实现这种特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2）存储器操作：RISC对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC机器的存储器操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，实现效率也较高。（4）中断：RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC机器是在一条指令执行结束后才响应中断。（5）CPU：RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU包含丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗也大。（6）设计周期：RISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC微处理器结构复杂，设计周期长。（7）用户使用：RISC微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能比较容易。（8）应用范围：由于RISC指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC机器更适用于专用机；而CISC机器则更适用于通用机。

目前CISC与RISC正在逐步走向融合，Pentium Pro、Nx586、K5就是一个最明显的例子，它们的内核都是基于RISC体系结构的。他们接受CISC指令后将其分解分类成RISC指令以便在同一时间内能够执行多条指令。由此可见，下一代的CPU将融合CISC与RISC两种技术，会在软件与硬件方面看二者并会取长补短。

（四）心得体会：

我觉的计算机组成原理这门课，有很多较难的知识点，到后来的课程我觉得有困难了，比如：中央处理器的功能与结构，微指令的执行等等，对于我来讲还是比较陌生的。但我努力了，尽自己努力的学习和理解老师的课程，也认真的完成作业。但我觉得收获的知识很容易忘记。上计算机组成原理，开始是与计算机相关的计算。我很喜欢计算，因为我觉的计算机原来是这样进行计算的，计算原码补码的加减乘除运算，也让我认识到计算机其实就是很多异或门开关的组合，因为计算机中传递的数只能是1、0，而这又是由电路中只能传递正和负造成的。这门课学到的东西，是我能够更加了解计算机。包括计算机怎样执行一个命令，怎样识别，以及计算机中断，张老师将中断作了一个很有意思的比喻，说是他正在上课，有同学来打扰就是一个中断。同样的张老师上课总是会给我们很多有趣的比喻，这也是老师的特点，能够吸引我们的注意，能够让我们在笑的过程理解，并记住学习的内容。

（五）结语：

我觉得自己学习知识时，接受地很快，这也导致自己学习有些不踏实、浮躁，总觉得自己是懂了。自己明白这点，我一定要改过来，要脚踏实地的学。同时我觉得计算机组成原理是一门基础课程，基础很重要。我想把基础打好。计算机专业是一个很渊博的专业，我们现在有很好的机会站在巨人的肩膀上学习，虽然从本书中学到了很多知识，但那只是计算机知识海洋中的一滴，我将继续努力对计算机组陈原理方面进行是深入的研究，了解更多计算机方面的知识，为以后工作打下坚实的基础。！最后也感谢张老师的谆谆教导，我会更加努力地把这门课学好！

（六）参考文献

【1】唐朔飞.计算机组成原理.北京：高等教育出版社，2000.

【2】白中英,等.计算机组成原理.3版.北京：科学出版社，2002.

【3】baidu中的相关资源.