§4指令系统的发展和改进.ppt

§4 指令系统的发展和改进 CISC和RISC 按CISC方向发展和改进指令系统 按RISC方向发展和改进指令系统 指令系统的优化设计 优化指令系统设计的3个阶段：?? CISC：复杂指令系统60年代至70年代中期 RISC：精简指令系统70年代后期至现在 VLIW：80年代初期至现在?? 关键在软硬件的功能分配，系统的综合性能时间与空间；执行、编译、编写时间 复杂指令系统计算机 Complex Instruction Set Computer CISC 增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。 IBM 370、VAX-11/780、VAX 8600、Intel i486、MC 68040 方法：用一条指令代替一串指令 增加新的指令 增强指令功能，设置功能复杂的指令 增加寻址方式 增加数据表示方式 优化的途径： 面向目标代码 面向高级语言 面向操作系统 指令系统复杂的原因 当高级语言（如C语言）取代汇编语言后，就不断增加新的复杂指令来支持高级语言程序的高效实现； 由于访主存的速度显著低于访CPU寄存器的速度，因此在功能相同时，不断用一条功能复杂的新指令来取代原先需一连串指令完成的功能，将程序软件固化和硬化； 系列机软件要求向上兼容和向后兼容，使得指令系统不断扩大和增加； 精简指令系统计算机 Reduced Instruction Set Computer RISC 减少指令总数和简化指令的功能，降低硬件设计的复杂性，提高指令的执行速度。 Sun SPARC、Intel i860、MC 88100、IBM 6150 只保留功能简单的指令 功能较复杂的指令用软件实现 提高流水线效率 超长指令字 Very Long Instruction Word VLIW 一种显式指令级并行指令系统?? 二维程序结构?? 指令级并行度高 按CISC方向发展与改进指令系统 面向目标程序的优化实现改进 面向高级语言的优化实现改进 面向操作系统的优化实现改进 面向目标程序的优化实现来改进 对使用频度高的指令增强其功能 静态使用频度---减少存储空间 动态使用频度---减少执行时间 提高运算型指令功能 提高传送指令功能 增加成组取、成组传送指令 增加条件转移指令 增加程序控制指令功能 举例 IBM360指令串: (VARIABLE)+N-(VARIABLE) ST REG,SAVE L REG,VARIABLE 增设一条指令 LA REG,N,(REG) 增量 N X2 B2 D2 ST REG VARIABLE L REG,SAVE 5条，20个字节，8.8微秒 1条，4个字节，2.7微秒 面向高级语言的优化实现来改进 增加对高级语言和编译系统支持的指令功能 高级语言计算机指令系统 对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计 面向编译，优化代码生成 改进指令系统，减少语义差距 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、多种系统结构，并能动态切换 发展高级语言计算机； 间接执行高级语言机器：高级语言直接成为机器的汇编语言 直接执行高级语言机器：让高级语言本身作为机器语言，由硬件或固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释执行； 各种语言与传统机器指令系统结构的语义差距 各种机器的语义差距 面向操作系统的优化实现来改进 通过对操作系统中常用的指令和指令串的使用频度进行统计和分析来改进 专用于操作系统的新指令，举例： 测试与置定 自学 比较与交换 自学 把操作系统由软件子程序实现的某些功能进行硬化或固化，改用硬件和固件实现 发展让操作系统由专门的处理机来完成的功能分布处理系统结构 按RISC方向发展与改进指令系统 精简指令系统思想的提出 IBM公司的John Cocke设计一个电话交换系统的控制器，1979年研制出32位的IBM 801 小型计算机，120条指令，10MIPS(1千万条指令/秒)。 1979年，美国加州大学伯克利分校David Patterson研究小组开始研究RISC系统。 1981年Patterson等人研制了32位RISC I微处理器，共31种指令，3种数据类型，2种寻址方式；研制周期10个月，比当时最先进的MC68000和Z8002快3至4倍； 1983年又研制了RISC II，指令种类扩充到39种，单一的变址寻址方式，通用寄存器138个 CISC的主要特点 指令系统庞大，指令功能复杂，指令格式、寻址方式多； 绝大多数指令需多个机器周期完成； 各种指令都可访问存储器； 采用微程序控制； 有专用寄存器，少量； 难以用优化编译技术生成高效的目标代码程序； CISC存在的问