小議計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)及ＲＩＳＣ技術(shù)

司雨杭　秦亮亮　李　鵬

摘要:該文系統(tǒng)概述了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩種主要體系結(jié)構(gòu)CISC體系和RISC體系, 敘述了當(dāng)代RISC主流技術(shù)及主要特征，以及發(fā)展趨勢(shì)，展望了未來計(jì)算機(jī)體系發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞: CISC；RISC,體系結(jié)構(gòu)

從體系結(jié)構(gòu)上看，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)研究的核心內(nèi)容是計(jì)算機(jī)軟硬件界面，具體表現(xiàn)為指令系統(tǒng)。軟件開發(fā)者根據(jù)所給定的指令系統(tǒng)來編寫軟件，滿足用戶的需求。該文系統(tǒng)概述了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的兩種主要體系結(jié)構(gòu)CISC體系和RISC體系，并展望了未來計(jì)算機(jī)體系發(fā)展方向。

1 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

當(dāng)今微處理器體系結(jié)構(gòu)，從傳統(tǒng)意義指令界面上來看基本劃分成兩大類：一類是CISC體系結(jié)構(gòu)，如INTEL的X86芯片，另一類是RISC體系結(jié)構(gòu)，如SPARC，MIPS，POWER PC，ALPHA等，不管是CISC體系結(jié)構(gòu)還是RISC體系結(jié)構(gòu)，人們?cè)谟?jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上都追求了二個(gè)方面的目標(biāo)。

2 CISC和RISC的區(qū)別

CISC體系的指令集由微程序來實(shí)現(xiàn)，也就是說它的每一個(gè)操作均由若干微操作的程序組合來實(shí)現(xiàn)，所以CISC可以使用微指令編程的方式來實(shí)現(xiàn)多種和功能較復(fù)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(shí)現(xiàn)。這就是說它的每條指令執(zhí)行原則上有自己一套邏輯組合的時(shí)序電路直接實(shí)現(xiàn)，所以單條指令實(shí)現(xiàn)所占用的硬件資源相應(yīng)要多。因?yàn)镽ISC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(shù)，而是集中于它的精簡(jiǎn)指令集上。RISC將把用戶使用頻率高的，數(shù)量少的指令通過硬件實(shí)現(xiàn)。其基本特征是指令單周期執(zhí)行，一個(gè)周期內(nèi)比CISC計(jì)算機(jī)有更高的指令吞吐率，且指令系統(tǒng)非常簡(jiǎn)單。RISC的思想認(rèn)為，只要給一個(gè)基本的指令，就能產(chǎn)生一個(gè)豐富的軟件系統(tǒng)。

如果說CISC是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的天然產(chǎn)物，那么RISC應(yīng)該是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物。兩者之間的風(fēng)格主要差異表現(xiàn)在兩種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想不同。

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

提高主頻，則一個(gè)周期內(nèi)的門的級(jí)數(shù)要少，器件的延時(shí)要小，現(xiàn)代工藝的迅速發(fā)展使器件的延時(shí)越來越小，主頻也越來越高。提高每條指令執(zhí)行的周期數(shù)小。可通過提高指令的語義級(jí)別來達(dá)到提高機(jī)器速度。

由此可見，CISC體系主要通過提高指令語義級(jí)別來減少實(shí)現(xiàn)程序的指令條數(shù)。簡(jiǎn)化編譯。但實(shí)際上指令系統(tǒng)中加入許多新的復(fù)雜指令后，并沒有是編譯簡(jiǎn)化。相反，由于復(fù)雜指令的加入，使得編譯軟件的設(shè)計(jì)更加困難，因?yàn)榫幾g的基本任務(wù)是完成大量的各種分情況（CASE）分析，指令系統(tǒng)越復(fù)雜，則分情況的數(shù)目就越多。分析就越困難，需要的時(shí)間就越長(zhǎng)，而且就越難獲得關(guān)于代碼生成的優(yōu)化結(jié)果，統(tǒng)計(jì)表明，實(shí)際程序在執(zhí)行過程中80％－90％的時(shí)間是花在占指令系統(tǒng)10％－20％的常用簡(jiǎn)單指令上。

上述的情況使得CISC設(shè)計(jì)風(fēng)格不可能成為經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)風(fēng)格。而RISC體系的指令簡(jiǎn)單，指令集較小，指令語義低，幾乎每條指令都是單周期執(zhí)行，控制簡(jiǎn)單，基本是一些簡(jiǎn)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(tǒng)主頻來提高指令執(zhí)行速度。為了能有效地支持高級(jí)語言并提高CPU性能，在統(tǒng)計(jì)測(cè)試地基礎(chǔ)上，RISC結(jié)構(gòu)采用了以下一些特殊技術(shù)。

在CPU中設(shè)置了較大量地寄存器，并采用窗口重疊寄存器技術(shù)。采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。采用比較轉(zhuǎn)移指令。采用優(yōu)化編譯技術(shù)。

RISC技術(shù)經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，已逐步完善和成熟，已從大學(xué)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)變成為工業(yè)界廣泛接受并已大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，實(shí)踐越來越證明它具有廣闊的應(yīng)用前景，小到專用的嵌入式控制器，大到組成小巨型機(jī)乃至巨型機(jī)和大規(guī)模并行機(jī)，RISC芯片已成為應(yīng)用主流。

3 RISC的發(fā)展趨勢(shì)研究

RISC要達(dá)到很高的性能，必須有相應(yīng)的技術(shù)支持。目前，在RISC處理機(jī)中的發(fā)展趨勢(shì)是對(duì)以下幾種關(guān)鍵技術(shù)方面進(jìn)行研究。

延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)－在RISC處理機(jī)中，指令一般采用流水線方式工作。取指令和執(zhí)行指令并行進(jìn)行。如果取指令和執(zhí)行指令各需要一個(gè)周期，那么，在正常情況下，每一個(gè)周期就能執(zhí)行完一條指令。然而，在遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，流水線就可能斷流。

采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行，一般不需要人來干預(yù)．但是如果要在目標(biāo)程序中進(jìn)行，就很容易引起人們的誤解。

指令取消技術(shù)。采用指令延時(shí)技術(shù)，遇到條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，調(diào)整指令序列非常困難，在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令。有些RISC處理機(jī)采用指令取消技術(shù)。在使用指令取消技術(shù)的處理機(jī)中，所有轉(zhuǎn)移指令和數(shù)據(jù)變換指令都可以決定下面待執(zhí)行的指令是否應(yīng)該取消。如果指令被取消，其效果相當(dāng)于執(zhí)行了一條空操作指令，不影響程序的運(yùn)行環(huán)境。為了提高程序的執(zhí)行效率，應(yīng)該盡量少取消指令，以保持指令流水線處于充滿狀態(tài)。因此，可以采用如下規(guī)則：如果是向后轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移的目標(biāo)地址小于當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器的值），則在轉(zhuǎn)移不成功時(shí)取消下條指令，否則，執(zhí)行下條指令；如果是向前轉(zhuǎn)移，則正好相反，在轉(zhuǎn)移不成功時(shí)執(zhí)行下條指令，否則，取消下條指令。

重疊寄存器窗口技術(shù)。RISC的指令系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，CISC中的一條復(fù)雜指令在RISC中通常要用一段子程序來實(shí)現(xiàn)。因此，RISC程序中的CALL和RETURN指令要比CISC程序中的多。在執(zhí)行CALL指令時(shí)，必須把硬件現(xiàn)場(chǎng)（主要包括程序計(jì)數(shù)器和處理機(jī)狀態(tài)字）和程序本身的軟件現(xiàn)場(chǎng)（主要指在子程序中要使用的通用寄存器等）保存到主存儲(chǔ)器中．另外，還要把執(zhí)行子程序所需要的參數(shù)從主程序傳送過去。在執(zhí)行RETURN指令時(shí)．要做相反的工作，最后把運(yùn)算結(jié)果傳送回主程序。因此，執(zhí)行指令時(shí)，訪問存儲(chǔ)器的信息量非常大。

為了使RISC處理機(jī)中的指令流水線高效率地工作，盡量不斷流，優(yōu)化編譯器必須分析程序的數(shù)據(jù)流和控制流，當(dāng)發(fā)現(xiàn)指令流有斷流可能時(shí)，要調(diào)整指令序列。對(duì)有些可以通過變量重新命名來消除的數(shù)據(jù)相關(guān)，要盡量消除。這樣，可以提高流水線的執(zhí)行效率，縮短程序的執(zhí)行時(shí)間。

硬件為主固件為輔。指令系統(tǒng)用微程序?qū)崿F(xiàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是：便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng)，增加了機(jī)器的靈活性和適應(yīng)性．主要缺點(diǎn)是：執(zhí)行速度低。RISC要求主要指令能在單周期內(nèi)執(zhí)行完成．采用微程序技術(shù)是不可能做到的。因此，RISC必須主要采用硬聯(lián)邏輯來實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)。對(duì)于那些必需的復(fù)雜指令，也可用固件（微程序技術(shù)）實(shí)現(xiàn)。因此，目前商用的RISC處理機(jī)在實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)時(shí)，一般都采用以硬件為主固件為輔的方法。

RISC優(yōu)化編譯技術(shù)。RISC思想在采用硬件技術(shù)提高處理機(jī)性能的同時(shí)，也十分重視軟件的優(yōu)化編譯技術(shù)。可以說，RISC是硬件和軟件相結(jié)合的產(chǎn)物。沒有優(yōu)化編譯技術(shù)的支持，RISC處理機(jī)的性能就不可能得到充分的發(fā)揮。

RISC的硬件設(shè)計(jì)為優(yōu)化編譯程序的設(shè)計(jì)帶來了許多方便，同時(shí)也造成一些困難．帶來的方便主要有。

由于RISC的指令系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，而且對(duì)稱．均勻，優(yōu)化編譯程序不必為具有類似功能的指令做復(fù)雜的指令選擇工作。RISC的尋址方式簡(jiǎn)單，只有LOAD和STORE指令能夠訪問存儲(chǔ)器，其他指令均在通用寄存器之間進(jìn)行操作。因此，可簡(jiǎn)化優(yōu)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(chǔ)器指令的選擇工作。因?yàn)榇蠖鄶?shù)指令都能在一個(gè)周期內(nèi)執(zhí)行完成，為優(yōu)化編譯器調(diào)整指令序列提供了極大的方便。

結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展以及計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的處理能力，計(jì)算速度提出了更新更高的要求，為了大幅度提高計(jì)算機(jī)并行處理能力，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)上必須有所突破，RISC技術(shù)作為計(jì)算機(jī)發(fā)展過程中的一個(gè)里程碑，為計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)本身的更新?lián)Q代及計(jì)算機(jī)應(yīng)用的深入和其領(lǐng)域的拓寬開辟廣闊前景。日趨成熟的RISC技術(shù)正廣泛的應(yīng)用在計(jì)算機(jī)的許多領(lǐng)域當(dāng)中，這些領(lǐng)域的研究進(jìn)展將有力促進(jìn)新一代計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

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