计算机系统结构 risc,RISC计算机的体系结构

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huigher

2013.07.08

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RISC体系结构

传统的CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)结构有其固有的缺点，即随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂指令集，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指令集合的各种指令中，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，这种结构不太合理的。

基于以上的不合理性，1979年美国加州大学伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)的概念，RISC并非只是简单地去减少指令，而是把着眼点放在了如何使极端机的结构更加简单合理地提高运算速度上。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或者少用微码控制等措施来达到以上目的。

到目前为止，RISC体系结构也还没有严格的定义，一般认为，RISC体系结构应具有如下特点：

－ 采用固定长度的指令格式，指令归整，简单，基本寻址方式有2～3种

－ 使用单周期指令，便于流水线操作执行

－ 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率

－ 所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率

－ 可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率

－ 可在一条 数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理

－ 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率

当然，和CISC结构相比较，尽管RISC架构有上述的优点，但决不能认为RISC架构就可以取代CISC架构，事实上，RISC和CISC各有优势，而且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用CISC的外围，内部加入了RISC的特性，如超长指令集CPU就是融合了RISC和CISC的优势。

卡内基梅隆大学这样定义RISC的特点为：

1、大多数指令在单周期内完成

2、采用LOAD/STORE结构。因为访问存储器指令所需要的时间比较长，在指令系统中要尽量减少这类指令，所以RISC指令中只保留不可再少的LOAD/STORE两种存储器访问指令。

3、硬布线控制逻辑。使得大多数指令在单周期内执行完成，以减少为程序技术中的指令解释开销。

4、减少指令和寻址方式的种类

5、固定的指令格式

6、译码优化

其实目前RISC还具有以下特点

1、面向寄存器结构

2、注重提高流水线的执行效率，尽量让减少流水线断流，提高流水线效率

3、优化编译技术

下面介绍一下RISC中的关键技术

1、延时转移技术：

在RISC处理机中采用流水线工作方式，取指令和执行指令并行工作，那么当遇到条件转移指令时，流水线可能断流。为了尽量保证流水线的执行效率，在转移指令之后插入一条有效的指令，而转移指令好像被延时了，这样了技术即为延迟转移技术。通常指令序列的调整由编译器自动进行。需要注意的是：调整指令序列是不能改变原有程序的数据关系；被移动的指令不破坏机器的条件码。

2、指令取消技术

由于采用指令延迟技术中，遇到条件转移指令时，调整指令序列比较困难，采用了指令取消技术。所有转移指令和数据变换指令都可以决定待执行指令是否应该取消。为了提高执行效率，采用取消规则为：如果向后转移(转移的目标地址小雨当前程序计数器PC值)，则转移不成功时取消下一条指令，否则执行下一条指令；如果向前转移，则相反，在转移不成功时执行下一条指令，否则取消。

3、重叠寄存器窗口技术

由于RISC的指令系统比较简单，通常采用一段子程序来实现。因此RISC中的CALL和RETURN非常多，而且都需要通过堆栈操作保存前一过程指针、数据等。为了尽量减少因为CALL和RETURN操作访问存储器的量，提出了重叠寄存器窗口技术。基本思想：在处理器中设置一个数量较大的寄存器堆，并划分成窗口。每个过程使用其中的三个窗口和一个公共窗口，而在这些窗口中有一个窗口式前一个过程公用的，还有一个窗口是与后一个过程共用。与前一过程公用的窗口可以用来存放前一过程传递被本过程的参数。

4、指令流水调整技术

为了保持指令流水线高效率，不断流，优化编译器必须分析程序的数据流和控制流。当发现指令有断流可能时，要调整指令顺序。有些可以通过变量重命名来消除的数据相关，要尽量消除。例如：

ADD R1,R2,R3; (R1)+(R2)->R3

ADD R3,R4,R5; (R3)+(R4)->R5

MUL R6,R7,R3; (R6)*(R7)->R3

MUL R3,R8,R9; (R3)*(R8)->R9

调整指令后

ADD R1,R2,R3;

MUL R6,R7,R0;

ADD R3,R4,R5;

MUL R0,R8,R9;

调整指令后，速度可以提高一倍

5、硬件为主固件为辅

指令系统采用为程序实现的优点：便于实现复杂指令，便于修改指令系统，增加机器的灵活性，但是速度慢。所以RISC一般采用硬件为主固件为辅的方法实现指令。

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