精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)

精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)術(shù)語(yǔ)01計(jì)算機(jī)介紹RISC的特點(diǎn)缺點(diǎn)分類優(yōu)點(diǎn)發(fā)展前景目錄0305020406基本信息精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC:ReducedInstructionSetComputerRISC)是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80年代的MIPS主機(jī)（即RISC機(jī)），RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱RISC處理器。這樣一來(lái)，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即MIPS）。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。紐約約克鎮(zhèn)IBM研究中心的JohnCocke證明，計(jì)算機(jī)中約20%的指令承擔(dān)了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。許多當(dāng)前的微芯片都使用RISC概念。計(jì)算機(jī)介紹計(jì)算機(jī)介紹精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC:ReducedInstructionSetComputer）

是一種指令長(zhǎng)度較短的計(jì)算機(jī)，其運(yùn)行速度比CISC要快。RISC和CISC是CPU從指令集的特點(diǎn)上可以分為兩類：CISC和RISC。RISC是英文ReducedInstructionSetComputer的縮寫

，就是“精簡(jiǎn)指令運(yùn)算集”，CISC就是“復(fù)雜指令運(yùn)算集”。RISC的指令系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，它只要求硬件執(zhí)行很有限且最常用的那部分指令，大部分復(fù)雜的操作則使用成熟的編譯技術(shù)，由簡(jiǎn)單指令合成。目前在中高檔服務(wù)器中普遍采用這一指令系統(tǒng)的CPU，特別是高檔服務(wù)器全都采用RISC指令系統(tǒng)的CPU。在中高檔服務(wù)器中采用RISC指令的CPU主要有Compaq（康柏，即新惠普）公司的Alpha、HP公司的PA-RISC、IBM公司的PowerPC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Sparc。RISC是相對(duì)于復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）而言的。所謂復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)是依靠增加機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)滿足對(duì)計(jì)算機(jī)日益增加的性能要求。計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展一直是被復(fù)雜性越來(lái)越高的處理機(jī)壟斷著，為了減少計(jì)算機(jī)操作與高級(jí)語(yǔ)言的差別，為了改善機(jī)器的運(yùn)行特性，機(jī)器指令越來(lái)越多，指令系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。特別是早期的較高速度的CPU和較慢速度的存儲(chǔ)器間的矛盾，為了盡量減少存取數(shù)據(jù)的次數(shù)，提高機(jī)器的速度，大大發(fā)展了復(fù)雜指令集，但隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展，存儲(chǔ)器的速度不斷提高，特別是高速緩沖的使用，使計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化，硬件工藝技術(shù)提高的同時(shí)，軟件方面也發(fā)生了同等重要的進(jìn)展，出現(xiàn)了優(yōu)化編譯程序，使程序的執(zhí)行時(shí)間盡可能減少。分類分類采用多級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)采用流水線技術(shù)可使每一時(shí)刻都有多條指令重疊執(zhí)行，以減小CPI的值，使CPU不浪費(fèi)空周期。實(shí)例：PentiumⅡ/Pro/Celeron可同時(shí)發(fā)出執(zhí)行五條指令，AMD－K6/K6－2可同時(shí)發(fā)出六條指令。機(jī)器中使用頻率高的簡(jiǎn)單指令及部分復(fù)雜指令這樣可減小時(shí)鐘周期數(shù)量，提高CPU速度，其實(shí)質(zhì)是減小CPI下的值實(shí)現(xiàn)。實(shí)例：選取運(yùn)算指令、加載、存儲(chǔ)指令和轉(zhuǎn)移指令作主指令集。采用加載(Load)、存儲(chǔ)(Store)結(jié)構(gòu)只允許Load和Store指令執(zhí)行存儲(chǔ)器操作，其余指令均對(duì)寄存器操作。實(shí)例：Amd－K6/K6－2、PⅡ/Celeron/Pro均支持對(duì)寄存器的直接操作和重新命名，并大大增加通用寄存器的數(shù)量。延遲加載指令和轉(zhuǎn)移指令由于數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器到寄存器存在二者速度差、轉(zhuǎn)移指令要進(jìn)行入口的計(jì)算，這使CPU執(zhí)行速度大大受限，因此，RISC技術(shù)為保證流水線高速運(yùn)行，在它們之間允許加一條不相關(guān)的可立即執(zhí)行的指令，以提高速度。RISC的特點(diǎn)RISC的特點(diǎn)RISC的特點(diǎn)是指令及其格式精少，操作和控制簡(jiǎn)捷。具體有下列幾個(gè)方面

。精簡(jiǎn)指令集RISC結(jié)構(gòu)采用精簡(jiǎn)的，長(zhǎng)短劃一的指令集，使大多數(shù)的操作獲得了盡可能高的效率。某些在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中要用多周期指令實(shí)現(xiàn)的操作，在RISC結(jié)構(gòu)中，通過(guò)機(jī)器語(yǔ)言編程，就代之以多條單周期指令了。精簡(jiǎn)的指令集大大改善了處理器的性能，并推動(dòng)了RISC的設(shè)計(jì)。對(duì)于到底精簡(jiǎn)到什么程度的問(wèn)題，沒(méi)有一定的回答。將現(xiàn)有RISC系統(tǒng)與CISC系統(tǒng)作一對(duì)比，便可見(jiàn)大概。通常，對(duì)RISC而言：處理關(guān)于擴(kuò)充指令集的建議是非常慎重的，要經(jīng)過(guò)認(rèn)真的權(quán)衡，驗(yàn)證，在看它們是否真正提高計(jì)算機(jī)的性能。例如，MIPS采用了一條規(guī)則：增加一條指令必須使性能在一定的應(yīng)用范圍內(nèi)得到1%的增益，否則這條指令將被拒絕。指令時(shí)鐘周期，指令長(zhǎng)度相等如果每一條指令要執(zhí)行的任務(wù)既簡(jiǎn)單又明了，則執(zhí)行每一條指令所的時(shí)間可以被壓縮周期數(shù)也可減少。RISC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)器周期執(zhí)行一條指令，使得系統(tǒng)操作更加有效。接近這個(gè)目標(biāo)的技術(shù)包括指令流水線及特定的裝/存結(jié)構(gòu)等。典型的指令可包括取指、譯碼、執(zhí)行和存裝果等階段。單周期指可通過(guò)讓所有指令為標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)短來(lái)實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)指令長(zhǎng)短應(yīng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本字長(zhǎng)相等，通常與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)線數(shù)相等。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)RISC在保持成本降低的同時(shí)能很好地提高速度。適用VLSI(VERYLARGESCALEINTEGRATION)工藝。由于RISC指令集清簡(jiǎn)，使之只需相對(duì)小而簡(jiǎn)單控制單元的譯碼和硬件執(zhí)行子系統(tǒng)。這導(dǎo)致在用VLSI實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)的下列結(jié)果：速度高。缺點(diǎn)缺點(diǎn)RISC有其自身的缺點(diǎn)。編譯后指令長(zhǎng)度較長(zhǎng)，內(nèi)存需要較大RISC的缺點(diǎn)與其一些優(yōu)點(diǎn)直接有關(guān)。因?yàn)镽ISC擁有的指令數(shù)少，有些在CISC中僅由一條指令完成的功能，在RISC中需二、三條甚至更多條指令，這使RISC代碼較長(zhǎng)，因而RISC的程序需要更多的內(nèi)存，內(nèi)存與CPU間的指令沖突也會(huì)增加。研究表明，平均而言，執(zhí)行同樣的功能，一個(gè)RISC程序比一個(gè)CISC程序長(zhǎng)30%。同時(shí)，RISC對(duì)編譯器要求較高，優(yōu)化編譯器的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)極復(fù)要且技術(shù)要求很高的工作，它又必須由RISC機(jī)制造單位自身編制，因?yàn)闆](méi)有RISC詳細(xì)原始資料不可能產(chǎn)生編譯程序的目標(biāo)代碼。這樣，第三方公司提供新版本較困難，用戶選擇余地較小，軟件費(fèi)用增加了。大寄存器組使尋址復(fù)雜，速度降低RISC系統(tǒng)的一個(gè)有爭(zhēng)議的特點(diǎn)是其大寄存器組。大寄存器組有前述優(yōu)點(diǎn)，但另一方面，也有缺點(diǎn)，大寄存器使尋址時(shí)間增多，另個(gè)，一些編譯器使小寄存器組的使用更為有效。CPU寄存器組到底應(yīng)多大還有待討論，大寄存器U組還可由高速緩存(CACHE)代替。發(fā)展前景發(fā)展前景鑒于RISC的設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及其無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，RISC體系結(jié)構(gòu)處理器的發(fā)展方向：一是增加處理器的并行性；二是擴(kuò)展支持可伸縮并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能；三是提高工藝水平。最終RISC與DSP在嵌入式應(yīng)用中完美融合，密不可分。RISC微處理器不僅精簡(jiǎn)了指令系統(tǒng)，采用超標(biāo)量和超流水線結(jié)構(gòu)；它們的指令數(shù)目只有幾十條，卻大大增強(qiáng)了并行處理