CPU指令集

cpu作為一台電腦中的核心,它的作用是無法替代的。而cpu本身只是在塊矽晶片上所集成的超大規模的積體電路,集成的電晶體數量可達到上億個,是由非常先進複雜的製造工藝製造出來的,擁有相當高的科技含量。

cpu作為一台電腦中的核心,它的作用是無法替代的。而cpu本身只是在塊矽晶片上所集成的超大規模的積體電路,集成的電晶體數量可達到上億個,是由非常先進複雜的製造工藝製造出來的,擁有相當高的科技含量。

概念

CPU依靠指令來計算和控制系統,每款CPU在設計時就規定了一系列與其硬體電路相配合的指令系統。指令的強弱也是CPU的重要指標,指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現階段的主流體系結構講,指令集可分為複雜指令集和精簡指令集兩部分,而從具體運用看,如Intel的MMX(MultiMediaExtended)、SSE、SSE2(Streaming-Singleinstructionmultipledata-Extensions2)和AMD的3DNow!等都是CPU的擴展指令集,分別增強了CPU的多媒體、圖形圖象和Internet等的處理能力。我們通常會把CPU的擴展指令集稱為"CPU的指令集"。

簡介

然而如此一顆精密的晶片為什麼能夠控制一個龐大而複雜的電腦系統呢?這就是cpu中所集成的指令集。所謂指令集,就是cpu中用來計算和控制計算機系統的一套指令的集合,而每一種新型的cpu在設計時就規定了一系列與其他硬體電路相配合的指令系統。而指令集的先進與否,也關係到cpu的性能發揮,它也是cpu性能體現的一個重要標誌。
再強大的處理器也需要指令集的配合才行(圖片出自電影《機械公敵》)
cpu的指令集從主流的體系結構上分為精簡指令集和複雜指令集,而在普通的計算機處理器基本上是使用的複雜指令集。在計算機早期的發展過程中,cpu中的指令集是沒有劃分類型的,而是都將各種程式需要相配合的指令集成到cpu中,但是隨著科技的進步,計算機的功能也越來越強大,計算機內部的元件也越來越多,而且越來越複雜,cpu的指令也相應的變得十分複雜,而在使用過程中,並不是每一條指令都要完全被執行,在技術人員的研究過程中發現,約有80%的程式只用到了20%的指令,而一些過於冗餘的指令嚴重影響到了計算機的工作效率,就這一現象,精簡指令集的概念就被提了出來。
精簡指令集risc就是(Reduced Instruction Set Computing)的縮寫,而複雜指令集cisc則是(Complex Instruction Set Computing)的縮寫。它們之間的不同之處就在於RISC指令集的指令數目少,而且每條指令採用相同的位元組長度,一般長度為4個位元組,並且在字邊界上對齊,欄位位置固定,特別是操作碼的位置。而cisc指令集特點就是指令數目多而且複雜,每條指令的長度也不相等。
在操作上,risc指令集中大多數操作都是暫存器到暫存器之間的操作,只以簡單的load(讀取)和sotre(存儲)操作訪問記憶體地址。因此,每條指令中訪問的記憶體地址不會超過1個,指令訪問記憶體的操作不會與算術操作混在一起。在功能上,risc指令集也要比複雜指令集具有優勢,精簡指令集可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設計,不必使用大量專用暫存器,特別是允許以硬體線路來實現指令操作,從而節約的處理器的製造成本。
而採用cisc指令集的處理器是使用微程式來實現指令操作,在執行速度上不如risc指令集。另外,risc還加強了並行處理能力,非常適合於採用處理器的流水線、超流水線和超標量技術,從而實現指令級並行操作,提高處理器的性能。而且隨著vlsi(Very Large Scale Integration超大規模積體電路)技術的發展,整個處理器的核心甚至多個處理器核心都可以集成在一個晶片上。risc指令集的體系結構可以給設計單芯多核處理器帶來很多好處,有利於處理器的性能提高。
由於risc指令集自身的優勢,在處理器的高端伺服器領域的處理器上得到了廣泛的運用,而cisc指令集主要運用桌面領域的處理器產品中,比如intel的pentium系列和amd的k8系列處理器。然而現在risc指令集也不斷地向桌面領域滲入,相信以後的處理器指令集會慢慢的向risc體系靠攏,使得處理器的指令集結構更加完善,功能更為強大,技術也越來越成熟。
RISC指令集有許多特徵,其中最重要的有:
指令種類少,指令格式規範:RISC指令集通常只使用一種或少數幾種格式。指令長度單一(一般4個位元組),並且在字邊界上對齊。欄位位置、特別是操作碼的位置是固定的。
定址方式簡化:幾乎所有指令都使用暫存器定址方式,定址方式總數一般不超過5個。其他更為複雜的定址方式,如間接定址等則由軟體利用簡單的定址方式來合成。
大量利用暫存器間操作:RISC指令集中大多數操作都是暫存器到暫存器操作,只以簡單的Load和Store操作訪問記憶體。因此,每條指令中訪問的記憶體地址不會超過1個,訪問記憶體的操作不會與算術操作混在一起。
簡化處理器結構:使用RISC指令集,可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設計,不必使用大量專用暫存器,特別是允許以硬體線路來實現指令操作,而不必像CISC處理器那樣使用微程式來實現指令操作。因此RISC處理器不必像CISC處理器那樣設定微程式控制存儲器,就能夠快速地直接執行指令。
便於使用VLSI技術:隨著LSI和VLSI技術的發展,整個處理器(甚至多個處理器)都可以放在一個晶片上。RISC體系結構可以給設計單晶片處理器帶來很多好處,有利於提高性能,簡化VLSI晶片的設計和實現。基於VLSI技術,製造RISC處理器要比CISC處理器工作量小得多,成本也低得多。
加強了處理器並行能力:RISC指令集能夠非常有效地適合於採用流水線、超流水線和超標量技術,從而實現指令級並行操作,提高處理器的性能。目前常用的處理器內部並行操作技術基本上是基於RISC體系結構發展和走向成熟的。
正由於RISC體系所具有的優勢,它在高端系統得到了廣泛的套用,而CISC體系則在桌面系統中占據統治地位。而在如今,在桌面領域,RISC也不斷滲透,預計未來,RISC將要一統江湖

相關搜尋

熱門詞條

聯絡我們