微控制器的架構介紹

阿新 • • 發佈：2019-01-14

　　[導讀]：什麼是微控制器的架構？微控制器的架構有哪幾種？本文對這個問題做了個簡單的介紹。微控制器的架構根據指令結構可以分為CISC(Complex Instruction Set Computer)架構和RISC(Reduced Instruction Set Computer)架構；根據儲存器結構可以分為哈佛（Harvard）結構和普林斯頓（Princeton）結構。

微控制器的架構根據指令結構可以分為CISC(Complex Instruction Set Computer)架構和RISC(Reduced Instruction Set Computer)架構；根據儲存器結構可以分為哈佛（Harvard）結構和普林斯頓（Princeton）結構。

1、CISC和RISC

CISC(複雜指令集計算機）和RISC（精簡指令集計算機）是當前MCU的兩種架構。它們的區別在於不同的MCU設計理念和方法。早期的MCU全部是CISC架構，它的設計目的是要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。RISC則是計算機系統只有少數指令，但是每個指令的執行時間相當短，因此MCU可以用相當高的頻率來運算。

◆CISC(複雜指令集計算機）

CISC是一種為了便於程式設計和提高記憶體訪問效率的晶片設計體系。早期的電腦使用組合語言程式設計，由於記憶體速度慢且價格昂貴，使得CISC體系得到了用武之地。在20世紀90年代中期之前，大多數的微處理器都採用CISC體系──包括Intel的80x86和Motorola的68K系列等。

⑴CISC體系的指令特徵

使用微程式碼：指令集可以直接在微程式碼記憶體（比主記憶體的速度快很多）裡執行，新設計的處理器，只需增加較少的電晶體就可以執行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式。

龐大的指令集：可以減少程式設計所需要的程式碼行數，減輕程式師的負擔。

高階語言對應的指令集：包括雙運算元格式、暫存器到暫存器、暫存器到記憶體以及記憶體到暫存器的指令。

⑵CISC體系的優缺點

優點：能夠有效縮短新指令的微程式碼設計時間，允許設計師實現CISC體系機器的向上相容。新的系統可以使用一個包含早期系統的指令超集合，也就可以使用較早電腦上使用的相同軟體。另外微程式指令的格式與高階語言相匹配，因而編譯器並不一定要重新編寫。

缺點：指令集以及晶片的設計比上一代產品更復雜，不同的指令，需要不同的時鐘週期來完成，執行較慢的指令，將影響整臺機器的執行效率。

◆RISC（精簡指令集計算機）

RISC是為了提高處理器執行的速度而設計的晶片體系。它的關鍵技術在於流水線操作（Pipelining）：在一個時鐘週期裡完成多條指令。而超流水線以及超標量技術已普遍在晶片設計中使用。RISC體系多用於非x86陣營高效能微處理器CPU，像HOLTEK MCU系列等。

⑴RISC體系的指令特徵

精簡指令集：包含了簡單、基本的指令，透過這些簡單、基本的指令，就可以組合成複雜指令。

同樣長度的指令：每條指令的長度都是相同的，可以在一個單獨操作裡完成。

單機器週期指令：大多數的指令都可以在一個機器週期裡完成，並且允許處理器在同一時間內執行一系列的指令。

⑵RISC體系的優缺點

優點：在使用相同的晶片技術和相同執行時鐘下，RISC系統的執行速度將是CISC的2～4倍。由於RISC處理器的指令集是精簡的，它的記憶體管理單元、浮點單元等都能設計在同一塊晶片上。RISC處理器比相對應的CISC處理器設計更簡單，所需要的時間將變得更短，並可以比CISC處理器應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器。

缺點：多指令的操作使得程式開發者必須小心地選用合適的編譯器，而且編寫的程式碼量會變得非常大。另外就是RISC體系的處理器需要更快記憶體，這通常都集成於處理器內部，就是L1 Cache（一級快取）。

表經典CISC和純RISC體系結構的特性

特性	經典CISC體系結構	純RISC體系結構
指令格式	可變格式：16到32和64位	固定32位指令
時鐘速率	隨技術發展而變化	隨技術發展而變化
指令系統規模和型別	約300條，有多於48種的指令型別	約100條，除取/存外，大都基於暫存器
定址方式	約12種，包含間接/變址定址	3到5種，只有取/存定址儲存器
快取記憶體設計	較早模型使用合一快取記憶體，有些使用分離快取記憶體	大多數使用分離的資料和指令快取記憶體
CPI及平均CPI	1到20個週期，平均4個週期	簡單操作1個週期，平均約1.5個週期
CPU控制	大多數微程式控制，有些使用硬連線控制	大多數為硬連線控制，沒有控制儲存器
暫存器堆	8～24個通用暫存器（GPR）	32～192個GPR分離的整數和浮點暫存器堆

對於CISC和RISC體系到底誰更好，長期以來都是業界爭論較多的話題，支援RISC體系的廠商認為它廉價和執行速度快，因此代表未來微處理器的發展特徵。反對者則認為，雖然RISC體系的硬體產品製造變得簡單，但軟體的開發會變得更復雜，即使執行相同的任務也必須編寫更多的程式來完成，因此它並不能代表未來的方向。如果我們注意到PC的相關市場，可以看到儘管RISC體系的歷史已經有10年，但一直沒能將CISC體系踢出局，市場上的個人電腦、工作站和伺服器大概有75％的仍是基於CISC體系結構。這也並不是說RISC真的不好，實際RISC和CISC體系的結構越來越接近，許多今天的RISC晶片仍然支援更多過去的CISC晶片，今天CISC晶片也運用了很多與RISC體系相關的技術，可以說，RISC和CISC是在共同發展的。

2、哈佛（Harvard）結構和普林斯頓（Princeton）結構

◆哈佛結構

哈佛結構是一種將程式指令儲存和資料儲存分開的儲存器結構。中央處理器首先到程式指令儲存器中讀取程式指令內容，解碼後得到資料地址，再到相應的資料儲存器中讀取資料，並進行下一步的操作（通常是執行）。程式指令儲存和資料儲存分開，可以使指令和資料有不同的資料寬度，如Microchip公司的PIC16晶片的程式指令是14位寬度，而資料是8位寬度。

哈佛結構的微處理器通常具有較高的執行效率。其程式指令和資料指令分開組織和儲存的，執行時可以預先讀取下一條指令。
圖1 哈佛結構

目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列晶片，還有摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安謀公司的ARM9、ARM10和ARM11。

◆普林斯頓結構

普林斯頓結構，也稱馮·諾伊曼結構，是一種將程式指令儲存器和資料儲存器合併在一起的儲存器結構。程式指令儲存地址和資料儲存地址指向同一個儲存器的不同物理位置，因此程式指令和資料的寬度相同，如英特爾公司的8086中央處理器的程式指令和資料都是16位寬。
圖2 馮.諾伊曼結構

目前使用馮·諾伊曼結構的中央處理器和微控制器有很多。除了上面提到的英特爾公司的8086，英特爾公司的其他中央處理器、安謀公司的ARM7、MIPS公司的MIPS處理器也採用了馮·諾伊曼結構。

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