2016 嵌入式系统设计 精简指令集计算机 第一讲 补充 RISC.pdf

精简指令集计算机 在设计CPU的指令系统设计的优化设计有 两个截然不同的方向: CISC和RISC. CISC:增强指令功能,设置一些复杂的指令;即将 一些由程序实现的功能,改为由指令系统实现. 1980年，Patterson和Ditzel完成了一篇题 为“精简指令集计算机概述”的论文。 主要针对CISC. （一）、RISC的定义 由于RISC是一种设计思想，它还在不断丰 富，因此，要完整的给出RISC的定义是困难 的。有两种说法可以比较明确的说明RISC的 设计思想。 1）卡内基梅隆大学（Carngie Mellon) 2 ）来自IEEE的迈克尔斯莱特（Michael Slater) 1、来自于卡内基梅隆大学 （Carngie Mellon) 指令集中的大多数指令只需执行简 单和基本的功能，其执行过程是一个机 器周期内完成的。 由于存储器访问指令执行时间长，应 尽量减少这类指令。采用加载／存储指 令结构。 即只保留加载指令和存储指令。面向 运算部件的操作数都经过加载指令和存 储指令， 从存储器取出后顶先放在寄存器堆内， 以加快执行速度。 芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而采 用硬布线逻辑，以减少指令解释的开销。 减少指令数和寻址方式，使控制部件简化， 加快执行速度。 指令格式固定，指令译码简化。 编译开销很大，应尽可能优化。 2、来自IEEE的迈克尔斯莱特（Michael Slater) RISC处理机应具有为使流水线处理器 能有效地执行和使优化编译器能生成优 化代码而设计的指令集。 （1）为使流水线有效地执行，RISC结构应具 有如下特征： 简单且统一格式的指令译码； 大部分指令可以单周期执行； 只有加载指令和存储指令访问存储器； 简单的寻址方式； 延迟转移； 加载延迟。 2 ）RISC结构为使优化编译器便于生成优化代 码，应具有如下特征： 三地址指令格式； 较多的寄存器； 对称的指令格式。 (二) 、RISC体系结构 ·固定的 （32位）指令长度： 指令类型很少。而CISC处理器指令 集的长度一般可变，指令类型也很多。 ·Load--Store结构： 数据处理指令只访问寄存器，与访 问存储器的指令是分开的。而CISC处理器 一般允许将存储器中的数据作为数据处理 指令的操作数。 由82 个32 位寄存器构成大的寄存器堆 （register bank ） 其中所有的寄存器都可以用于任何用途， 以使Load －Store结构有效地工作。 虽然CISC 寄存器集也加大了，但是没有 这么大，而且大都是不同的寄存器用于不同 的用途。 (三)、RISC基本优点 1、管芯面积小 ; 2、开发时间短 ; 3、性能高 ; 4 、指令规整、对称、简单； 5 、单周期指令； (四)、RISC回顾 1．流水线 流水线是在处理器中实现并行操作的 最简单形式，而且可以使速度提高2～3 倍。精简指令集极大地简化了流水线的 设计。 2．高时钟频率和单周期执行 (五)、RISC的缺点 1 、与CISC相比，通常RISC 的代码密度低。 2、RISC不能执行x86代码。 ARM 体系结构的继承 在设计第一片ARM 芯片时，尽管早 期的机器，如Digital PDP 8、Cray －1和 IBM801 ，早就提出了RISC的概念，并具 有许多后来融人RISC 的特征RISC唯一的 例子仍为伯克利的RISC I和Ⅱ及斯坦福 的 MIPS （Microprocessor