【1】8位、16位、32位、64位

除了 CISC與 RISC 之分，處理器指令集架構(gòu)的位數(shù)也是一個(gè)重要的概念。通俗來講處理器架構(gòu)的位數(shù)是指通用寄存器的寬度,其決定了尋址范圍的大小、數(shù)據(jù)運(yùn)算能力的強(qiáng)弱譬如32位架構(gòu)的處理器，其通用寄存器的寬度為 32位，能夠?qū)ぶ返姆秶鸀?232Byte,即4GB的尋址空間，運(yùn)算指令可以操作的操作數(shù)為 32 位。

注意:處理器指令集架構(gòu)的寬度和指令的編碼長(zhǎng)度無任何關(guān)系。并不是說 64 位架構(gòu)的指令長(zhǎng)度為 64位(這是一個(gè)常見的誤區(qū))。從理論上來講，指令本身的編碼長(zhǎng)度越短越好因?yàn)榭梢怨?jié)省代碼的存儲(chǔ)空間。因此即便在64 位的架構(gòu)中，也大量存在16位編碼的指

且基本上很少出現(xiàn)過 64 位長(zhǎng)的指令編碼。

綜上所述，在不考慮任何實(shí)際成本和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的前提下，理論上來講:。通用寄存器的寬度，即指令集架構(gòu)的位數(shù)越多越好，因?yàn)檫@樣可以帶來更大的尋址范圍和更強(qiáng)的運(yùn)算能力。

指令編碼的長(zhǎng)度越短越好，因?yàn)檫@樣可以更加節(jié)省代碼的存儲(chǔ)空間常見的架構(gòu)位數(shù)分為8位、16位、32位和64位。早期的單片機(jī)以8位和 16 位為主，知名的 8051 單片機(jī)是使用廣泛的8位架構(gòu)。

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目前主流的嵌入式微處理器均在向 32 位架構(gòu)轉(zhuǎn)移。

目前主流的移動(dòng)手持、個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器領(lǐng)域，均使用 64 位架構(gòu)。

【2】CISC、RISC

常見的指令集架構(gòu)大體上可以分為兩大類：復(fù)雜指令集體系（CISC）和精簡(jiǎn)指令集體系（RISC）。

RISC全稱Reduced Instruction Set Compute，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。

CISC全稱Complex Instruction Set Computers，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。

CISC既有簡(jiǎn)單指令也有復(fù)雜指令，后來人們發(fā)現(xiàn)典型程序中80%的語(yǔ)句都是使用計(jì)算機(jī)中20%的指令，而這20%的指令都屬于簡(jiǎn)單指令；因此花再多時(shí)間去研究復(fù)雜指令，也僅僅只有20%的使用概率，并且復(fù)雜指令會(huì)影響計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度。既然典型程序的80%都是使用簡(jiǎn)單指令完成，那剩下的20%語(yǔ)句用簡(jiǎn)單語(yǔ)句來重新組合一下模擬這些復(fù)雜指令就行了，而不需要使用這些復(fù)雜指令，于是RISC就出現(xiàn)了。

RISC的主要特點(diǎn)：

1）選取使用頻率較高的一些簡(jiǎn)單指令以及一些很有用但不復(fù)雜的指令，讓復(fù)雜指令的功能由使用頻率高的簡(jiǎn)單指令的組合來實(shí)現(xiàn)。

2）指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。

3）只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器內(nèi)完成。

4）CPU中有多個(gè)通用寄存器（比CICS的多）

5）采用流水線技術(shù)（RISC一定采用流水線），大部分指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。采用超標(biāo)量超流水線技術(shù)，可使每條指令的平均時(shí)間小于一個(gè)時(shí)鐘周期。

6）控制器采用組合邏輯控制，不用微程序控制。

7）采用優(yōu)化的編譯程序

CICS的主要特點(diǎn)：

1）指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，指令數(shù)目一般多達(dá)200~300條。

2）指令長(zhǎng)度不固定，指令格式種類多，尋址方式種類多。

3）可以訪存的指令不受限制（RISC只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器）

4）各種指令執(zhí)行時(shí)間相差很大，大多數(shù)指令需多個(gè)時(shí)鐘周期才能完成。

5）控制器大多數(shù)采用微程序控制。

6）難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序

RISC與CICS的比較

1.RISC比CICS更能提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度；RISC寄存器多，就可以減少訪存次數(shù)，指令數(shù)和尋址方式少，因此指令譯碼較快。

2.RISC比CISC更便于設(shè)計(jì)，可降低成本，提高可靠性。

3.RISC能有效支持高級(jí)語(yǔ)言程序。

4.CICS的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能，因此處理特殊任務(wù)效率高。

復(fù)雜指令集最常見的例子是現(xiàn)在絕大多數(shù)家用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器所使用的 AMD64 指令集（也叫 x86-64、x86_64、Intel 64、EM64T 等等，本文以發(fā)明人為基準(zhǔn)稱為 AMD64。）除此以外有一定使用量，和有歷史意義的復(fù)雜指令集還有 IA-32、MC68000、MOS6502、Intel 8051、Intel 8080 等等。復(fù)雜指令集其復(fù)雜在于指令種類數(shù)量巨大，非常多次常用到不常用的功能都會(huì)被整合進(jìn)處理器指令集中。同時(shí)復(fù)雜指令集系統(tǒng)每條指令的操作數(shù)尋址方式復(fù)雜，幾乎所有指令都可以直接訪問內(nèi)存；相應(yīng)的指令的機(jī)器碼編碼方式復(fù)雜，普遍使用不定長(zhǎng)指令等。同時(shí)，復(fù)雜指令集系統(tǒng)一般沒有獨(dú)立的專用內(nèi)存訪問指令，處理器內(nèi)所設(shè)置的通用寄存器數(shù)量也偏少。（例如 IA-32 沒有嚴(yán)格意義上的通用整數(shù)寄存器，到了 AMD64 也才勉強(qiáng)設(shè)置了八個(gè)通用整數(shù)寄存器。）

精簡(jiǎn)指令集最常見的例子則是常見于智能設(shè)備和嵌入式平臺(tái)的 ARM 指令集家族。除此以外除此以外有一定使用量，和有歷史意義的精簡(jiǎn)指令集還有龍芯 LoongArch、MIPS、RISC-V、PowerPC、AVR 等等。精簡(jiǎn)指令集其精簡(jiǎn)在于指保留最基本最必要的指令，將復(fù)雜功能完全交給上層的軟件算法和下層的專用外設(shè)去解決。同時(shí)精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)指令尋址方式往往非常單一，除了專門的訪存指令以外所有指令都只能在寄存器范圍內(nèi)操作，相應(yīng)的精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)普遍使用固定長(zhǎng)度指令，也會(huì)配備相對(duì)比較多的通用寄存器。（例如上個(gè)世紀(jì)的 ARMv4T、MIPS32 就都已經(jīng)有 29～31 個(gè)通用寄存器了，相比于同時(shí)期 IA-32 的 0 個(gè)。）

實(shí)際到了應(yīng)用層面上，對(duì)于高級(jí)語(yǔ)言程序來說，對(duì)于處理器設(shè)計(jì)來說，兩種指令集架構(gòu)分類的實(shí)際差異已經(jīng)不大了。Intel 和 AMD 的 AMD64 實(shí)現(xiàn)都使用了微代碼，而從復(fù)雜指令翻譯出來的微代碼普遍都用了類 RISC 設(shè)計(jì)。本世紀(jì)初的時(shí)候還普遍認(rèn)為復(fù)雜指令集處理器速度更快，到了現(xiàn)在精簡(jiǎn)指令集已經(jīng)很強(qiáng)大了，完全比CISC更快。有些CISC最終也是轉(zhuǎn)化為RISC進(jìn)行執(zhí)行了。

【3】8位的CISC——8051

8位和CISC兩個(gè)似乎是矛盾的，但是8051活生生的輝煌了40年。

說起 8051 內(nèi)核，幾乎無人不知無人不曉。8051 作為一款生了數(shù)十年之久的微處理器內(nèi)核，在8位入式微處理器內(nèi)核領(lǐng)域，它是當(dāng)之無愧的傳“前輩”

自從Inlel于1980年為入式系統(tǒng)開發(fā)Intel MCS-51(通常簡(jiǎn)稱 8051)單芯片微控制(單片機(jī))至今，8051 內(nèi)核架構(gòu)已經(jīng)走過將近 40個(gè)年頭。Intel 還以專利轉(zhuǎn)讓的形式8051內(nèi)核轉(zhuǎn)讓給了許多其他半導(dǎo)體公司，這些公司進(jìn)一步發(fā)展出不同型號(hào)基于 8051內(nèi)核微控制器芯片，因此形成了一個(gè)龐大的 8051 家族。

幾十年發(fā)展下來的龐大的用戶群和生態(tài)環(huán)境，以及多年來眾多備受肯定的成功產(chǎn)品，可以說 8051內(nèi)核幾乎成為8 位微處理器內(nèi)核的業(yè)界標(biāo)桿。8051 內(nèi)核架構(gòu)在 1998 年失去專利保護(hù)，久經(jīng)沙場(chǎng)的它再次進(jìn)發(fā)出強(qiáng)大的二次生命力，各種形式的 8051 架構(gòu) MCU(微控制器Microcontroller Unit)進(jìn)一步涌入市場(chǎng)，各種基于 8051內(nèi)核的芯片產(chǎn)品層出不窮，各種免費(fèi)版本的 8051 內(nèi)核IP 也可以從各種渠道獲取。

當(dāng)然由于 8051 內(nèi)核并沒有一個(gè)統(tǒng)一的組織和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管理，所以也存在著體系結(jié)構(gòu)浪亂，各種增強(qiáng)型復(fù)雜多樣的問題。雖然時(shí)常也都自稱為 8051 內(nèi)核，但是其實(shí)各有差別，瑯滿目讓人難以分辨。但是這絲毫不影響 8051 內(nèi)核的經(jīng)典地位，時(shí)至今日，雖然目前微處理器內(nèi)核正在經(jīng)歷著向32位架構(gòu)遷移的大趨勢(shì)，但是 8051內(nèi)核仍然有著舉足輕重的地位在大量的MCU、數(shù)?；旌?a target="_blank">信號(hào)芯片、SoC 芯片中仍能看到 8051 內(nèi)核的身影，并且在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，在適合8位架構(gòu)處理器內(nèi)核的應(yīng)用領(lǐng)域中都將繼續(xù)使用 8051 內(nèi)核，可以說是“廉頗雖老，尚能飯也”。

8051 內(nèi)核能在嵌入式領(lǐng)域取得如此成功的地位，可以歸功于如下幾個(gè)方面的原因。

廣泛的被認(rèn)知度，簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)。

沒有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的限制，商業(yè)和開源的版本眾多，非常適合中小型芯片公司采用。

用龐大的用戶群以及相應(yīng)的生態(tài)系統(tǒng)。

成熟且免費(fèi)的軟件工具鏈支持。

——你似乎感受到RISC-V從其一誕生就符合以上幾條的氣質(zhì)。

盡管如此，8051作為一款誕生了接近 40 年的8位CISC(復(fù)雜指令集)架構(gòu)內(nèi)核，雖然是“老驥伏析，壯心不已”，但是由于其性能低下，尋址范圍受限，已經(jīng)難以適應(yīng)更多的新興應(yīng)用領(lǐng)域。隨著IoT的發(fā)展和崛起，雖然嵌入式領(lǐng)域?qū)τ谔幚砥鲀?nèi)核的需求更加井噴，但是更多的是開始采用 32 位架構(gòu)，且很多傳統(tǒng)的 8 位應(yīng)用領(lǐng)域也在開始向著32位架構(gòu)遷移。這樣ARM的Cortex-M系列有了成長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。

然而在20世紀(jì)80年代該單片機(jī)剛剛問世時(shí)，半導(dǎo)體的制造工藝還只能達(dá)到um 級(jí)，處理器所能達(dá)到的時(shí)鐘頻率偏低。而且當(dāng)時(shí)硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言還處于起步階段也缺乏自動(dòng)設(shè)計(jì)的工具，軟件多以手工匯編編程為主。這就導(dǎo)致流水線設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)無法得到發(fā)揮，并且每條指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能完成。由于上述原因，當(dāng)時(shí)的指令集設(shè)計(jì)往往具有以下特點(diǎn):

(1)盡量在每條指令中實(shí)現(xiàn)更多的功能。例如 8051的CJNE 指令，就需要在一條指令中依次實(shí)現(xiàn):

①與累加器做減法

②修改進(jìn)位標(biāo)示

③將結(jié)果做相等比較

④根據(jù)比較結(jié)果決定是否跳轉(zhuǎn)

(2)指令集龐大，以實(shí)現(xiàn)更多的復(fù)雜功能。例如 8051 雖然是 8 位單片機(jī)其指令集卻包含高達(dá) 255 種不同的指令和格式

(3)由于以上兩點(diǎn)，導(dǎo)致變長(zhǎng)指令的出現(xiàn)，以提高內(nèi)存利用率。8051的指令就有單字節(jié)、雙字節(jié)與三字節(jié)三種不同的種類，而且除了對(duì)指令解碼以外，沒有其他的手段幫助判定指令長(zhǎng)度。

(4)尋址方式眾多。例如在 8051 指令集中，對(duì)數(shù)值的操作包括如下方式

①立即數(shù)尋址。將常數(shù)包含在指令中。

②?直接尋址。將內(nèi)存地址包含在指令中。

③間接尋址。將內(nèi)存地址放入寄存器中,然后將寄存器地址包含在指令中.

④寄存器尋址。將操作數(shù)放入寄存器中,然后將寄存器地址包含在指令中

【4】8051具備CISC的所有缺點(diǎn)

1)盡量在每條指今中實(shí)現(xiàn)更多的功能

為了在實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜功能的同時(shí)保持高吞吐率，流水線的設(shè)計(jì)者不得不花更多的時(shí)間規(guī)劃流水線的各級(jí)。即便如此，有些指令依然無法實(shí)現(xiàn)單周期吞吐，例如上文提到的CJNE 指令，就需要兩個(gè)時(shí)鐘周期。

另外，現(xiàn)代的8051 處理器開發(fā)，早已經(jīng)采用C語(yǔ)言代替了早期的匯編語(yǔ)言而高級(jí)語(yǔ)言的編譯器往往很難把這類復(fù)雜、多功能機(jī)器指令的威力全部發(fā)揮出來有違當(dāng)初指令集的設(shè)計(jì)初衷。

當(dāng)然，指令集復(fù)雜這個(gè)特點(diǎn)也并非一無是處。由于 CISC 指令集的指令復(fù)雜也使得其代碼密度(Code Density)一般要優(yōu)于同等字寬的RISC處理器

2)龐大的指令集浪費(fèi)邏輯資源

龐大的指令集必然導(dǎo)致指令的解碼階段變得更為復(fù)雜，需要耗費(fèi)更多的邏輯資源。指令集被分為兩部分對(duì)它們各自的解碼分別占用了流水線的一級(jí)。這樣設(shè)計(jì)的原因之一就是為了在龐大指令集下實(shí)現(xiàn)高吞吐率、高時(shí)鐘頻率，而不得不做出的妥協(xié)。同樣時(shí)鐘頻率的RISC-V處理器，由于指今集比較精簡(jiǎn)，就無須做這樣的妥協(xié)，從而大大節(jié)省了邏輯資源，簡(jiǎn)化了流水線設(shè)計(jì)。

3)變長(zhǎng)指令的出現(xiàn)，以提高內(nèi)存利用率

8051的指令有單字節(jié)、雙字節(jié)和三字節(jié)三種不同的種類，除解碼(Decode)外沒有其他的手段幫助判定指令長(zhǎng)度。這種變長(zhǎng)的指令結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致指令之間的邊界很難判定，甚至有可能導(dǎo)致內(nèi)存的非對(duì)齊讀取(Unaligned Memory Access)，從而對(duì)流水線的取指器(Instruction Fetch)設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)。

8051的內(nèi)存架構(gòu)是哈佛架構(gòu)，其代碼與數(shù)據(jù)在不同的地址空間中分開存放。這就使得代碼存儲(chǔ)部分可以單獨(dú)做一些優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于8051指令集沒有其他輔助手段來幫助判定指令長(zhǎng)度，為了確定指令的邊界，8051的取指器不得不為此花費(fèi)比 RISC-V 更多的邏輯資源

4)眾多的尋址方式

由于8051存在眾多的尋址方式，使得指令集中的許多指令都可以訪間內(nèi)存這導(dǎo)致流水線的數(shù)據(jù)沖突(Data Hazard)很難判斷，有時(shí)不得不通過硬件自動(dòng)插入空操作(Null Operation，NOP)來保持?jǐn)?shù)據(jù)的正確和完整。這樣既消耗了邏輯資源，又降低了流水線的效率，從而對(duì)功耗和性能造成雙重打擊。

審核編輯：湯梓紅