淺析計算機體系結構和RISC技術

王 曉 齊文軍 劉苗輝

（遼寧大連91550部隊，遼寧 大連 116023）

淺析計算機體系結構和RISC技術

王 曉 齊文軍 劉苗輝

（遼寧大連91550部隊，遼寧 大連 116023）

該文系統概述了現代計算機的兩種主要體系結構CISC體系和RISC體系，敘述了當代RISC主流技術及主要特征，以及發展趨勢，展望了未來計算機體系發展方向。

CISC；RISC；體系結構

1 計算機體系結構現狀

當今微處理器體系結構，從傳統意義指令界面上來看基本劃分成兩大類：一類是CISC體系結構，如INTEL的X86芯片，另一類是RISC體系結構，如SPARC，MIPS，POWER PC，ALPHA等，不管是CISC體系結構還是RISC體系結構，人們在計算機體系結構的設計上都追求了二個方面的目標。

2 CISC和RISC的區別

CISC體系的指令集由微程序來實現，也就是說它的每一個操作均由若干微操作的程序組合來實現，所以CISC可以使用微指令編程的方式來實現多種和功能較復雜的指令。在RISC體系的指令集中，它的每一條指令直接由硬布線來實現。這就是說它的每條指令執行原則上有自己一套邏輯組合的時序電路直接實現，所以單條指令實現所占用的硬件資源相應要多。因為RISC體系沒有能采用增加單條指令的功能或提高指令語義，也沒有去增多指令的條數，而是集中于它的精簡指令集上。RISC將把用戶使用頻率高的，數量少的指令通過硬件實現。其基本特征是指令單周期執行，一個周期內比CISC計算機有更高的指令吞吐率，且指令系統非常簡單。RISC的思想認為，只要給一個基本的指令，就能產生一個豐富的軟件系統。

如果說CISC是計算機技術發展的天然產物，那么RISC應該是計算機技術發展的必然產物。兩者之間的風格主要差異表現在兩種體系結構的設計思想不同。

計算機的一個最重要的性能是速度，一般用執行程序的時間來測量其速度。一個程序的執行時間等于其中的指令數乘以每條指令的執行時間，每條指令的執行時間等于每條指令執行的周期數和每周期的時間（即主頻的倒數）。即TCPU＝IN×CPI×TC，速度可從以下方面來提高：

提高主頻，則一個周期內的門的級數要少，器件的延時要小，現代工藝的迅速發展使器件的延時越來越小，主頻也越來越高。提高每條指令執行的周期數小。可通過提高指令的語義級別來達到提高機器速度。

由此可見，CISC體系主要通過提高指令語義級別來減少實現程序的指令條數。簡化編譯。但實際上指令系統中加入許多新的復雜指令后，并沒有是編譯簡化。相反，由于復雜指令的加入，使得編譯軟件的設計更加困難，因為編譯的基本任務是完成大量的各種分情況（CASE）分析，指令系統越復雜，則分情況的數目就越多。分析就越困難，需要的時間就越長，而且就越難獲得關于代碼生成的優化結果，統計表明，實際程序在執行過程中80%－90%的時間是花在占指令系統10%－20%的常用簡單指令上。

上述的情況使得CISC設計風格不可能成為經濟有效的設計風格。而RISC體系的指令簡單，指令集較小，指令語義低，幾乎每條指令都是單周期執行，控制簡單，基本是一些簡單的邏輯電路，因此采用邏輯硬布線。這樣可以減少單條指令周期，提高系統主頻來提高指令執行速度。為了能有效地支持高級語言并提高CPU性能，在統計測試地基礎上，RISC結構采用了以下一些特殊技術。

在CPU中設置了較大量地寄存器，并采用窗口重疊寄存器技術；采用優化延遲轉移技術；采用比較轉移指令；采用優化編譯技術。

3 RISC的發展趨勢研究

RISC要達到很高的性能，必須有相應的技術支持。目前，在RISC處理機中的發展趨勢是對以下幾種關鍵技術方面進行研究。

延時轉移技術－在RISC處理機中，指令一般采用流水線方式工作。取指令和執行指令并行進行。如果取指令和執行指令各需要一個周期，那么，在正常情況下，每一個周期就能執行完一條指令。然而，在遇到轉移指令時，流水線就可能斷流。

采用指令延遲轉移技術時，指令序列的調整由編譯器自動進行，一般不需要人來干預.但是如果要在目標程序中進行，就很容易引起人們的誤解。

指令取消技術。采用指令延時技術，遇到條件轉移指令時，調整指令序列非常困難，在許多情況下找不到可以用來調整的指令。有些RISC處理機采用指令取消技術。在使用指令取消技術的處理機中，所有轉移指令和數據變換指令都可以決定下面待執行的指令是否應該取消。如果指令被取消，其效果相當于執行了一條空操作指令，不影響程序的運行環境。為了提高程序的執行效率，應該盡量少取消指令，以保持指令流水線處于充滿狀態。因此，可以采用如下規則：如果是向后轉移（轉移的目標地址小于當前程序計數器的值），則在轉移不成功時取消下條指令，否則，執行下條指令；如果是向前轉移，則正好相反，在轉移不成功時執行下條指令，否則，取消下條指令。

重疊寄存器窗口技術。RISC的指令系統較簡單，CISC中的一條復雜指令在RISC中通常要用一段子程序來實現。因此，RISC程序中的CALL和RETURN指令要比CISC程序中的多。在執行CALL指令時，必須把硬件現場（主要包括程序計數器和處理機狀態字）和程序本身的軟件現場（主要指在子程序中要使用的通用寄存器等）保存到主存儲器中.另外，還要把執行子程序所需要的參數從主程序傳送過去。在執行RETURN指令時，要做相反的工作，最后把運算結果傳送回主程序。因此，執行指令時，訪問存儲器的信息量非常大。

為了使RISC處理機中的指令流水線高效率地工作，盡量不斷流，優化編譯器必須分析程序的數據流和控制流，當發現指令流有斷流可能時，要調整指令序列。對有些可以通過變量重新命名來消除的數據相關，要盡量消除。這樣，可以提高流水線的執行效率，縮短程序的執行時間。

硬件為主固件為輔。指令系統用微程序實現的主要優點是：便于實現復雜指令，便于修改指令系統，增加了機器的靈活性和適應性，主要缺點是：執行速度低。RISC要求主要指令能在單周期內執行完成，采用微程序技術是不可能做到的。因此，RISC必須主要采用硬聯邏輯來實現指令系統。對于那些必需的復雜指令，也可用固件（微程序技術）實現。

RISC優化編譯技術。RISC思想在采用硬件技術提高處理機性能的同時，也十分重視軟件的優化編譯技術。可以說，RISC是硬件和軟件相結合的產物。沒有優化編譯技術的支持，RISC處理機的性能就不可能得到充分的發揮。

RISC的硬件設計為優化編譯程序的設計帶來了許多方便，同時也造成一些困難，帶來的方便主要有。

由于RISC的指令系統比較簡單，而且對稱.均勻，優化編譯程序不必為具有類似功能的指令做復雜的指令選擇工作。RISC的尋址方式簡單，只有LOAD和STORE指令能夠訪問存儲器，其他指令均在通用寄存器之間進行操作。因此，可簡化優化編譯器在選擇尋址方式過程中要做的工作，省去了是否要生成訪問存儲器指令的選擇工作。因為大多數指令都能在一個周期內執行完成，為優化編譯器調整指令序列提供了極大的方便。

結束語

隨著科學技術的飛速發展以及計算機應用領域的日益擴大，對計算機系統的處理能力，計算速度提出了更新更高的要求，為了大幅度提高計算機并行處理能力，在計算機系統結構技術上必須有所突破，RISC技術作為計算機發展過程中的一個里程碑，為計算機結構本身的更新換代及計算機應用的深入和其領域的拓寬開辟廣闊前景。日趨成熟的RISC技術正廣泛的應用在計算機的許多領域當中，這些領域的研究進展將有力促進新一代計算機的發展。

[1]鄭偉民，湯志忠編.計算機體系結構.北京清華大學出版社.

[2]陸鑫達主編.計算機系統結構.高等教育出版社.

[3]李學干主編.計算機系統結構.西安電子科技大學出版社.

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