嵌入式系统基础 ARM微处理器结构 RISC体系结构.docx

嵌入式系统基础延伸阅读 嵌入式系统基础 RISC体系结构 RISC的英文全称为“Reduced Instruction Set Computer”，中文即“精简指令集计算机”。RISC构架的指令格式和长度通常是固定的（如ARM是32位的指令）、且指令和寻址方式少而简单、大多数指令在一个周期内就可以执行完毕。 简介 CISC（complex instruction set computer）即复杂指令集计算机，在20世纪90年代前被广泛的使用，其特点是通过存放在只读存储器中的微码（microcode）来控制整个处理器的运行。 一条指令往往可以完成一串运算的动作，但却需要多个时钟周期来执行。随着需求的不断增加，设计的指令集越来越多，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构会越来越复杂。然而，在CISC指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%，显然，这种结构是不太合理的。 为改变这种状况，1980年Patterson和Ditzel 两位学者完成了一篇题为《精简指令集计算机概述》的开创性论文，全面提出了精简指令集的设计思想，随后，柏克来大学的研究生依照此理论基础，设计出了第一颗精简指令集处理器RISC I，这颗处理器远比当时已经相当流行的CISC处理器简单的多，在设计上所花费的功夫也降低许多，但整体功能上的表现却与CISC处理器不相上下。从此处理器设计方向便分别向着这两个大的方向发展。实际上1980年以来，所有新的处理器体系结构都或多或少地采用了RISC的概念，甚至有些典型的CISC处理机中也采用了些RISC设计思想，比如Intel公司的80486、Pentium系列等。而RISC思想最成功也是第一个商业化的实例就是ARM，当然，它也放弃了一些RISC特征而保留了一些CISC特征。 RISC和CISC在构架上有着几个不同的地方。 1）首先是指令集的设计上，RISC构架的指令格式和长度通常是固定的（如ARM是32位的指令）、且指令和寻址方式少而简单、大多数指令在一个周期内就可以执行完毕；CISC构架下的指令长度通常是可变的、指令类型也很多、一条指令通常要若干周期才可以执行完。由于指令集多少与复杂度上的差异，使RISC的处理器可以利用简单的硬件电路设计出指令解码（decode）功能，这样易于流水线的实现。相对的CISC则需要通过只读存储器里的微码来进行解码，CISC因为指令功能与指令参数变化较大，执行流水线作业时有较多的限制。 2）其次，RISC在结构设计上是一个载入/存储（load/store）的构架，只有载入和存储指令可以访问存储器，数据处理指令只对寄存器的内容进行操作。为了加速程序的运算，RISC会设定多组的寄存器，并且指定特殊用途的寄存器。CISC构架则允许数据处理指令对存储器进行操作，对寄存器的要求相对不高。