计算机组成原理 课件 7-1RISC概述.pptx

Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机 1 两类指令集体系架构 复杂指令集计算机（CISC） Complex Instruction Set Computer 精简指令集计算机（RISC） Reduced Instruction Set Computer Instruction Set 指令集，指令系统 * 复杂指令集计算机 CISC发展的愿望 满足日益增加的计算机功能需求 提供对高级语言的支持，简化编译器设计 用微程序实现复杂的指令操作，提高程序执行效率 结果 计算机的指令系统非常庞大，指令的功能相当复杂 如VAXII/780由303条指令、18种寻址方式，具有矩阵运算、字符串处理等指令； Pentium机有191条指令、9种寻址方式。 CISC的问题 CISC在应用中存在的问题 指令的格式、长度不统一，执行时间长短不一，不利于指令流水线的实现 微程序控制需要读控存时间，降低了指令执行速度 随着指令系统的复杂化，使编译器难以生成高效的机器语言程序 指令集中80%的指令很少被使用 一些简单指令，在指令系统中仅占指令总数20%，但在程序中出现的频率却占80%。 精简指令集计算机 RISC：Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机 计算机的指令系统精简、高度优化 RISC不是简单地简化指令系统，而是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算速度。 RISC的特点 1. 精简的指令集 仅选使用频率高的一些简单指令和很有用但不复杂指令，指令条数少。 指令长度固定，指令格式少，寻址方式少。 2. 大量的通用寄存器，减少存储器访问 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令都只使用寄存器 3. 多级的指令流水线 4. 采用硬布线控制 RISC与CISC之争 PC机市场占有率高 策略：兼容，缓慢淘汰 自身也在发展 超长指令字(Very Long Instruction Word，VLIW) 内核采用RISC 奔腾4处理器 市场占有率逐渐提高 替代x86失败：PowerPC（IBM/Motolora） 移动设备的处理器 ARM IP（Intellectual Property） 华为海思、苹果、三星 ... 动态：Nvidia并购ARM CISC：Intel x86系列 RISC：...... 早期5个RISC处理器发展过程 1975年IBM的Yorktown研究中心开始研制IBM801 是最早开始设计的RISC处理器，PowerPC的前身 比801稍晚开始的有Patterson在Berkeley的RISC-I、RISC-II以及Hennessy在Standford的MIPS项目 RISC-II是SPARC的前身，MIPS项目是MIPS处理器前身 IBM801的项目经理Joel Birnbaum到HP创立了PA-RISC DEC在推出Alpha之前曾经使用MIPS处理器三年 RISC的必威体育精装版进展：RISC-V RISC-V是一种指令集体系架构（ISA） 加州大学伯克利分校为教学开发 Patterson教授团队 2010年夏天起，经过多次流片验证 2014年以BSD授权的方式开放 目标是成为指令集架构领域的Linux ISA Instruction Set Architecture 为什么要设计RISC-V？ Berkeley的研究人员指出原有ISA存在如下问题 （1）绝大多数指令集架构都是受专利保护的，比如：x86、MIPS、Alpha，使用这些架构需要授权。 （2）当前的指令集架构都比较复杂，不适合教学，而且很多复杂性是因为一些糟糕的设计或者背负历史包袱所带来的。 （3）当前的指令集架构都是针对某一领域的，比如：x86主要面向服务器、ARM主要面向移动终端，为此对应的指令集架构针对该领域做了大量的领域特定优化，缺乏一个统一的架构可以适用多个领域。 （4）商业的指令集架构容易受企业发展状况的影响，比如：Alpha架构就随着DEC公司的被收购而几近消失。 （5）当前已有的各种指令集架构不便于针对特定的应用进行自定义扩展。 RISC-V的特色 简单 比其他的商用ISA规模都要小很多。 干净 在用户与特权ISA之间有非常清晰的界限 没有与微架构或实现方式有关的特性，具有普适性 模块化、可扩展 基础ISA集很小，有多个可配置的子集。 使用了可变长度的指令编码，有扩展空间。 免费 RISC-V产业生态快速发展 2015年成立非盈利组织RISC-V基金会 旨在聚合全球创新力量共同构建开放、合作的软硬件社区，打造RISC-V生态系统。 基金会的会员已经增加到325个（截至2019年8月） 大学、科研院所和企业大量使用或评估基于RISC-V的应用，参与