结构 2-3(选讲).pptVIP

2.4.3 精简指令系统计算机 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 精简指令集计算机（硬件复杂度降低、速度提高） 如何通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。按照这种途径和方向发展，使机器指令系统精炼简单，因此，称采用这种途径设计成CPU的计算机为精简指令系统计算机。 2.4.3RISC风格(1) 2.4.3 RISC设计风格 面向目标程序面向高级语言面向操作系统 “三面向”带来了如下的麻烦： 1. 指令条数太多了(通常多于100 条,如35条); 2. 复合指令编译难以优化, 指令执行速度不快; 3. 编译程序复杂、编译效率低 ; 4. 扩充指令使用频度太低了,系统开销太大了。 造成麻烦的唯一原因在下面讲述…… 2.4.3 RISC风格(2) 2.4.3 RISC设计风格（续） Tcpu=IN*CPI*Tc * * * * 2.4 指令系统设计的两种风格 . 何谓指令系统？(计算机全部指令的集合,它是S/H的界面) 2.4.1 指令系统功能设计： . 指令系统由下面类别指令组成： 算逻, . 指令系统的扩展: 除上述类别指令，可扩展一些OS 功能指令，控制状态指令，诊断指令等。 . 指令保护问题：用户只可以使用非特权指令，其余 为特权指令，只有操作系统才可使用。 . 指令功能设计：要求具 传送, 程控, 输入输出, 处理机控制和调试 。 完整性， 规整性， 可扩充性。 ◆ 早年的计算机指令系统非常简单, 指令总数目很少。以后，随着应用的需要,计算机能力飞速提高，应用对功能的要求与日俱增,软件危机也应运而生了；数据处理要求指令功能强大,指令数目迅速膨胀。指令系统发展成为复杂指令集。例如, 汇编指令从最少的 20 多条猛增到最多的 300多条。 高级语言和大多数数据库编程语句数目的增加, 也有类似情况：从最少的 21 条增加最多的 数百 余条 )。 ◆ 庞大而功能很多的指令系统CISC , 在给编程带来极大的便利的同时, 也给编译系统带来极多的麻烦。 2.4.2 CISC的风格, 便利, 和麻烦 IBM汇编语言170多条定点指令中有18条条件转移指令和 8 条移位指令,各有功能相同或相近者，程序员可以自由选用来处理同一问题；又如大多数高级语言解决程序段的循环至少可用三种循环语句中的一种来完成,等等方便。这样的方便好吗？为什么？ CISC 众多指令(或编程语句)中有大量功能相同或相似的指令(或编程语句),为程序员提供了极大便利。在解决复杂的问题时, 他们简直可以随心所欲, 用十分接近自然语言的语句写出非常简洁的程序(例如递归计算), 但他们也许从未考虑过：CISC给系统带来了多少麻烦?! 2.4.2 CISC设计主要风格 ○面向操作系统：用硬件实现管理类指令；用固件实 现某些子程序(如进程管理,I/O中断处理,虚拟存储 管理等)；用固件实现原语；等等。 ○面向目标程序：增强各型指令功能；缩短程序长度； 减少访存次数；减少指令执行时间；采用不等长操 作码和不等长指令字长；以缩短译码时间。设置新 指令以取代频度高的指令串（如 MOVS指令)。 ○面向高级语言及编译程序：用指令实现高级语言中 高频度语句；优化算法；使指令系统支持高级语言, 保持语意差距的一致性；发展高级语言机器。 导致这些麻烦的惟一原因是： 计算机的一切改进都围绕增加指令功能, 强调为 高级语言提供支持而忽略高级语言与系统结构的差距。 试图改变现状的是 John. Coche 先生 1975年, 他受命设计电信计算机 IBM-801, 当时大 规模集成电路还没有问世, 他还是大胆地提出他设想 的大大精简机器指令数目的方案。他的想法是…… 设计思想 ◆ Coche为了设计世界上第一台不同于传统风格 的小型机 IBM801, 他果断采取如下措施： 1. 从IBM传统的 300 多条指令中精选120条。 2. 使用数据 Cache 和指令 Cache ； 3. 使用固定的 32 bit 指令字长; 4. 设置 32 个通用寄存器； 5. 采用流水线,一个时钟周期可完成一条指令； 6. 使用硬联逻辑控制器 ◆ 机器制成后,意想不到的是: 计算机性能远远超 过了设计任务要求的