精簡指令集

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精簡指令集(Reduced Instruction Set Computer)

目錄

什麼是精簡指令集

  精簡指令集,是電腦中央處理器的一種設計模式,也被稱為RISC(Reduced Instruction Set Computer的縮寫)。這種設計思路對指令數目和定址方式都做了精簡,使其實現更容易,指令並行執行程度更好,編譯器的效率更高。常用的精簡指令集微處理器包括DECAlpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、PowerArchitecture(包括PowerPC)和SPARC等。這種設計思路最早的產生緣自於有人發現,儘管傳統處理器設計了許多特性讓代碼編寫更加便捷,但這些複雜特性需要幾個指令周期才能實現,並且常常不被運行程式所採用。此外,處理器和主記憶體之間運行速度的差別也變得越來越大。在這些因素促使下,出現了一系列新技術,使處理器的指令得以流水執行,同時降低處理器訪問記憶體的次數。早期,這種指令集的特點是指令數目少,每條指令都採用標準字長、執行時間短、中央處理器的實現細節對於機器級程式是可見的。

精簡指令集發展背景

  在早期的電腦業中,編譯器技術尚未出現。程式是以機器語言彙編語言完成的。為了便於編寫程式,電腦架構師造出越來越複雜的指令,可以高階程式語言直接陳述高階功能。當時的看法是硬體比編譯器更易設計,所以複雜的東西就加進硬體了。

  加速複雜化的其它因素是缺乏大記憶體。記憶體小的環境中,具有極高訊息密度的程式較有利。當記憶體中的每一位元組如此珍貴,例如儲存某個完整系統只需幾千位元組,它使產業移向高度編碼的指令、長度不等的指令、執行多個操作的指令,和執行數據傳輸與計算的指令。當時指令封包問題遠比易解的指令重要。

  那時使用磁性技術,記憶體不僅小,而且很慢。這是維持極高訊息密度的其它原因。藉著具有極高訊息密度封包,當必須存取慢速資源時可以降低頻率

  CPU只有少數緩存器的兩個原因︰

  CPU內部緩存器遠貴於外部記憶體。以當時的集成電路技術水準,大緩存器集對晶元電路板區域只是多餘的浪費。

  具有大數量的緩存器將需要大數量的指令位(使用珍貴的RAM)以做為緩存器指定器。

  基於上述原因,CPU設計師試著令指令儘可能做更多的工作。這導致一個指令將做全部的工作︰讀入兩個數字,相加,並且直接在記憶體儲存計算結果。其它版本將從記憶體讀取兩個數字,但計算結果儲存在緩存器。另一個版本將從記憶體和緩存器各讀一個數字,並再次存入記憶體。以此類推。這種處理器設計原理最終成為複雜指令集(CISC)。

  當時的目標是給所有的指令提供所有的定址模式,此稱為「正交性」。這在 CPU 上導致了一些複雜性,但就理論上每個可能的命令都可以單獨的調試(調用,be tuned),這樣使得程式員能夠比用簡單的命令來得更快速。

  這類的設計最終可以由光譜的兩端來表達, 6502 在光譜的一端,而 VAX 在光譜的另一端。單價25美元的 1MHz 6502 晶元只有單一的通用緩存器, 但它的極精簡的單周期記憶體界面(single-cycle memory interface)讓一個位的操作效能和更高頻率設計幾乎相同,例如 4MHz Zilog Z80 在使用相同慢速的記憶晶元下(大約近似 300ns)。

  發展分歧

  電腦指令系統的優化發展過程中,出現過兩個截然不同的優化方向:CISC技術和RISC技術。CISC是指複雜指令系統電腦(Complex Instruction Set Computer);RISC是指精減指令系統電腦(Reduced Instruction Set Computer)。這裡的電腦指令系統指的是電腦的最低層的機器指令,也就是CPU能夠直接識別的指令。隨著電腦系統的複雜,要求電腦指令系統的構造能使電腦的整體性能更快更穩定。最初,人們採用的優化方法是通過設置一些功能複雜的指令,把一些原來由軟體實現的、常用的功能改用硬體的指令系統實現,以此來提高電腦的執行速度,這種電腦系統就被稱為複雜指令系統電腦,即Complex Instruction Set Computer,簡稱CISC。另一種優化方法是在20世紀80年代才發展起來的,其基本思想是儘量簡化電腦指令功能,只保留那些功能簡單、能在一個節拍內執行完成的指令,而把較複雜的功能用一段子程式來實現,這種電腦系統就被稱為精簡指令系統電腦.即Reduced Instruction Set Computer,簡稱RISC。RISC技術的精華就是通過簡化電腦指令功能,使指令的平均執行周期減少,從而提高電腦的工作主頻,同時大量使用通用寄存器來提高子程式執行的速度

  提出原由

  IBM公司設在紐約Yorktown的JhomasI.Wason研究中心於1975年組織力量研究指令系統的合理性問題.因為當時已感到,日趨龐雜的指令系統不但不易實現.而且還可能降低系統性能.1979年以帕特遜教授為首的一批科學家也開始在美國加州大學伯克萊分校開展這一研究.結果表明,CISC存在許多缺點.首先.在這種電腦中.各種指令的使用率相差懸殊:一個典型程式的運算過程所使用的80%指令.只占一個處理器指令系統的20%.事實上最頻繁使用的指令是取、存和加這些最簡單的指令.這樣-來,長期致力於複雜指令系統的設計,實際上是在設計一種難得在實踐中用得上的指令系統的處理器.同時.複雜的指令系統必然帶來結構的複雜性.這不但增加了設計的時間與成本還容易造成設計失誤.此外.儘管VLSI技術現在已達到很高的水平,但也很難把CISC的全部硬體做在一個晶元上,這也妨礙單片電腦的發展.在CISC中,許多複雜指令需要極複雜的操作,這類指令多數是某種高級語言的直接翻版,因而通用性差.由於採用二級的微碼執行方式,它也降低那些被頻繁調用的簡單指令系統的運行速度.因而.針對CISC的這些弊病.帕特遜等人提出了精簡指令的設想即指令系統應當只包含那些使用頻率很高的少量指令.並提供一些必要的指令以支持操作系統和高級語言.按照這個原則發展而成的電腦被稱為精簡指令集電腦(ReducedInstructionSetComputer-RISC)結構.簡稱RISC.

精簡指令集優勢

  RISC和CISC是設計製造微處理器的兩種典型技術,雖然它們都是試圖在體繫結構、操作運行、軟體硬體、編譯時間和運行時間等諸多因素中做出某種平衡,以求達到高效的目的,但採用的方法不同,因此,在很多方面差異很大,它們主要有:

  (1)指令系統:RISC設計者把主要精力放在那些經常使用的指令上,儘量使它們具有簡單高效。對不常用的功能,常通過組合指令來完成。因此,在RISC機器上實現特殊功能時,效率可能較低。但可以利用流水技術和超標量技術加以改進和彌補。而CISC電腦的指令系統比較豐富,有專用指令來完成特定的功能。因此,處理特殊任務效率較高。

  (2)存儲器操作:RISC對存儲器操作有限制,使控制簡單化;而CISC機器的存儲器操作指令多,操作直接。

  (3)程式:RISC彙編語言程式一般需要較大的記憶體空間,實現特殊功能時程式複雜,不易設計;而CISC彙編語言程式編程相對簡單,科學計算及複雜操作的程式設計相對容易,效率較高。

  (4)中斷:RISC機器在一條指令執行的適當地方可以響應中斷,但是相比CISC指令執行的時間短,所以中斷響應及時;而CISC機器是在一條指令執行結束後響應中斷。

  (5)CPU:RISC CPU包含有較少的單元電路,因而面積小、功耗低;而CISCCPU包含有豐富的電路單元,因而功能強、面積大、功耗大。

  (6)設計周期:RISC微處理器結構簡單,佈局緊湊,設計周期短,且易於採用最新技術;CISC微處理器結構複雜,設計周期長。

  (7)用戶使用:RISC微處理器結構簡單,指令規整,性能容易把握,易學易用;CISC微處理器結構複雜,功能強大,實現特殊功能容易。

  (8)應用範圍:由於RISC指令系統的確定與特定的應用領域有關,故RISC機器更適合於專用機;而CISC機器則更適合於通用機。

精簡指令集特征

  統一指令編碼(例如,所有指令中的op-code永遠位於同樣的位位置、等長指令),可快速解譯︰

  泛用的緩存器,所有緩存器可用於所有內容,以及編譯器設計的單純化(不過緩存器中區分了整數和浮點數);

  單純的定址模式(複雜定址模式以簡單計算指令序列取代);

  硬體中支持少數數據型別(例如,一些CISC電腦中存有處理位元組字元串的指令。這在RISC電腦中不太可能出現)。

  RISC設計上同時也有哈佛記憶體模塊特色,凡指令流和數據流在概念上分開;這意味著更改代碼存在的記憶體地址對處理器執行過的指令沒有影響(因為CPU有著獨立的指令和數據緩存),至少在特殊的同步指令發出前。在另一面,這允許指令緩存和數據緩存同時被訪問,通常能改進運行效率。

  許多早期的RISC設計同樣共用著不好的副作用——轉移延時槽,轉移延時槽是指一個跳轉或轉移指令之後的指令空間。無論轉移是否發生,空間中的指令將被執行(或者說是轉移效果被延遲)。這些指令讓CPU的算術和邏輯單元(ALU)繁忙比通常執行轉移所需更多的時間。現在轉移延時槽被認為是實現特定RISC設計的副作用,現代的RISC設計通常避免了這個問題(如PowerPC,最近的SPARC版本,MIPS)。

精簡指令集結構特點

  RISC是簡化指令集電腦的簡略縮寫,其風格是強調電腦結構的簡單性和高效性。RISC設計是從足夠的不可缺少的指令集開始的。它的速度比那些具有傳統複雜指令組電腦結構的機器快得多,而且RISC機由於其較簡潔的設計,較易使用,故具有更短的研製開發周期。RISC結構一般具有如下的一些特點:

  ①單周期的執行:它統一用單周期指令。從根本上剋服了CISC指令周期數有長有短,造成運行中偶發性不確定,致使運行失常的問題。

  ②採用高效的流水線操作:使指令在流水線中並行地操作,從而提高處理數據和指令的速度。

  ③無微代碼的硬連線控制:微代碼的使用會增加複雜性和每條指令的執行周期。

  ④指令格式的規格化和簡單化:為與流水線結構相適應且提高流水線的效率,指令的格式必須趨於簡單和固定的規式。比如指令採用16位或32位的固定的長度,並且指令中的操作碼欄位、操作數欄位都儘可能具有統一的格式。此外,儘量減少定址方式,從而使硬體邏輯部件簡化且縮短解碼時間,同時也提高了機器執行效率和可靠性

  ⑤採用面向寄存器堆的指令:RISC結構採用大量的寄存器——寄存器操作指令,使指令系統更為精簡。控制部件更為簡化,指令執行速度大大提高。由於VLSI技術的迅速發展,使得在一個晶元上做大量的寄存器成為可能。這也促成了RISC結構的實現。

  ⑥採用裝入/存儲指令結構:在CISC結構中。大量設置存儲器——存儲器操作指令,頻繁地訪問記憶體,將會使執行速度降低。RISC結構的指令系統中,只有裝入/存儲指令可以訪問記憶體,而其它指令均在寄存器之間對數據進行處理。用裝入指令從記憶體中將數據取出,送到寄存器;在寄存器之間對數據進行快速處理,並將它暫存在那裡,以便再有需要時。不必再次訪問記憶體。在適當的時候,使用一條存儲指令再將這個數據送回記憶體。採用這種方法可以提高指令執行的速度。

  ⑦註重編譯的優化,力求有效地支撐高級語言程式。

  通常使用的單片機中,MCS一51系列的單片機屬於CISC的體繫結構;AVR系列的單片機則屬於RISC的體繫結構。

精簡指令集發展前景

  鑒於RISC的設計特點以及其無可比擬的優點,RISC體繫結構處理器的發展方向:

  一是增加處理器的並行性;

  二是擴展支持可伸縮並行電腦系統的功能;

  三是提高工藝水平。最終RISC與DSP在嵌入式應用中完美融合,密不可分。

  RISC微處理器不僅精簡了指令系統,採用超標量和超流水線結構;它們的指令數目只有幾十條,卻大大增強了並行處理能力。如:1987年SunMicrosystem公司推出的SPARC晶元就是一種超標量結構的RISC處理器。而SGI公司推出的MIPS處理器則採用超流水線結構,這些RISC處理器在構建並行精簡指令系統多處理機中起著核心的作用。RISC處理器是當今UNIX領域64位多處理機的主流晶元。

性能特點

  性能特點一:由於指令集簡化後,流水線以及常用指令均可用硬體執行;

  性能特點二:採用大量的寄存器,使大部分指令操作都在寄存器之間進行,提高了處理速度;

  性能特點三:採用緩存—主機—外存三級存儲結構,使取數與存數指令分開執行,使處理器可以完成儘可能多的工作,且不因從存儲器存取信息而放慢處理速度。

應用特點

  由於RISC處理器指令簡單、採用硬佈線控制邏輯、處理能力強、速度快,世界上絕大部分UNIX工作站和伺服器廠商均採用RISC晶元作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的PowerPCG4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUNMicrosystem公司的UltraSPARC║。

運行特點

  RISC晶元的工作頻率一般在400MHZ數量級。時鐘頻率低,功率消耗少,溫升也少,機器不易發生故障和老化,提高了系統的可靠性。單一指令周期容納多部並行操作。在RISC微處理器發展過程中。曾產生了超長指令字(VLIW)微處理器,它使用非常長的指令組合,把許多條指令連在一起,以能並行執行。VLIW處理器的基本模型是標量代碼的執行模型,使每個機器周期內有多個操作。有些RISC處理器中也採用少數VLIW指令來提高處理速度。

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