3.1.2 计算机指令集及其系列产品概述
当前商业航天飞速发展，对卫星发展提出平台体系一体化，具备高性能、低成本特点等要求。与型号任务不同，商业航天计算机设计思路围绕对平台的电子系统进行高集成、一体化的设计，涉及星务管理、姿轨计算机、测控应答以及扩展至导航接收机、机构控制等模块，突破了传统卫星平台的功能划分和产品组成。处理器选型主要考虑高集成度、可获得性，乃至更低成本。因此，商业航天计算机处理器多数选择工业级ARM体系架构器件。
总的来说当前星载计算机主要采用SPARC、PowerPC、MIPS等系列。下面在对星载处理器最小系统做介绍前，首先对计算机指令集及其系列产品进行概述。
目前流行的指令集主要为复杂指令集CISC和精简指令集RISC。CISC在20世纪90年代前被广泛使用，其特点是通过存放在只读存储器中的微码来控制整个处理器的运行。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指令系统中，以提高计算机的处理效率。随着需求不断增加，设计的指令越来越多，为支持这些新增的指令并保持兼容以前的指令，计算的体系结构越来越复杂。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80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。
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（RISC）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，美国加州柏克莱大学的研究生依照此理论基础，设计出了第一个精简指令集处理器RISCI，该处理器远比当时已经相当流行的CISC处理器简单得多，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。CISC与RISC特点对比见表3- 1。
表3-1 CISC与RISC特点对比
CISC主要处理器系列情况为：Intel公司和AMD公司的X86架构都是基于CISC，包括X86和X86-64。RISC主要处理器系列包括ARM架构、MIPS架构、PowerPC架构、SPARC架构。
1）X86架构
1978年6月8日，Intel公司发布了新款16位微处理器“8086”，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。X86又叫IA32，即Intel Architecture32（Intel32位架构）。2003年，AMD公司推出了业界首款64位处理器Athlon64，也带来了X86-64，即X86指令集的64位扩展超集，具备向下兼容的特点。为了和AMD公司展开竞争，Intel公司也在2004年推出了自己的64位版X86，也就是EM64T。在X86架构中，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。
2）ARM架构
ARM架构广泛用于许多嵌入式系统设计中。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通信领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。当前ARM家族在所有32位嵌入式处理器中占比75%。ARM处理器的主要特点是：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。
3）MIPS架构
无内部互锁流水级的微处理器（microprocessor without inter locked piped stage architecture，MIPS），在1981年由MIPS科技公司开发并授权，广泛被使用于许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置中。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。它的基本特点是：包含大量的寄存器、指令数和字符可视的管道延时时隙。这些特性使得MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今片上系统（system on chip，SoC）设计中最低的能耗。MIPS架构如图3- 1所示。
图3-1 MIPS架构图
4）PowerPC架构
POWER是1991年由Apple（苹果电脑）、IBM、Motorola（摩托罗拉）公司组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM联盟平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。PowerPC架构如图3- 2所示。
图3-2 PowerPC架构图
5）SPARC架构
SPARC架构最早于1985年由SUN公司所设计，也是SPARC国际公司的注册商标之一。SPARC国际公司授权了多家生产商采用，包括德州仪器、Cypress半导体、富士通等。由于SPARC架构对外完全开放，因此也出现了完全开放原始码的LEON处理器，这款处理器以VHDL语言写成，并采用LGPL授权。SPARC架构主要用于小型机上。