优捷通RISC处理器设计

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1、RISC处理器设计RISC系统结构基本思想：简单结构的高效实现体：指令系统结构操作：简单数据：Load-Store结构，寻址方式简单编码：定长相：实现与使用方式简化硬件，提高主频指令流水线技术：寄存器操作容易解决相关编译技术用：性能及兼容性性能：每条指令周期数差不多，主频高，CPI高流水及多发射技术在提高性能的前提下不影响兼容性指令系统结构指令系统的设计原则指令系统在计算机中的位置硬件和软件的界面设计要求兼容性：在很长时间内保持不变通用性：适合于各种应用方便：编译器或程序员觉得好用，有较多功能高效：便于CPU设计的优化，不同的实现方法得到不同的性能指令系统与系统结构50-60年代C

2、omputerArchitecture=ComputerArithmetic70-80年代ComputerArchitecture=InstructionSetDesign90年代以后ComputerArchitecture=DesignofCPU,MemorySystem,I/OSystem,MultiprocessorsSearchingthespaceofpossibledesignsatalllevelsofcomputersystems影响指令系统设计的因素工艺技术早期的硬件昂贵，简化硬件是指令系统设计的主要因素如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积系统结构增加指令功能

3、还是提高主频？并行性：SIMD、向量、多发射（兼容性好）、PIM操作系统多进程支持、虚地址空间等编译技术与程序设计语言指令的表达能力应用程序兼容性工艺技术的发展（1）工艺技术是处理器技术发展的源动力集成度及CPU主频提高快，访存延迟提高慢1990年：33MHzIntel386,80ns访存延迟1996年：266MHzIntelPII,60ns访存延迟上述趋势影响系统结构研究的内容并行技术：流水线、多处理器、磁盘阵列存储层次网络工艺技术的发展（2）Moore定律Intel的创始人之一GordonMoore在1971年预言每18个月芯片集成度增加一倍。30年来这个预言基本正确，普遍认为

4、这个定律可以适用到2010年2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管2910年达到每个芯片1,000,000,000个晶体管这么多晶体管用来做什么？=>系统结构的研究工艺技术的发展（3）Moore定律：处理器集成度提高工艺技术的发展（4）Moore定律：存储器集成度的提高工艺技术对指令系统的影响早期的指令系统设计主要考虑如何减少硬件随着集成度的提高，如何有效利用芯片面积成为系统结构重要研究内容，一些新的并行结构如PIM、SIMD等必然影响指令系统多发射技术的兼容性好由于CPU与存储器的速度差距，指令系统的设计应能较好地利用存储层次，如通过并行或流水容忍延迟。微处理器技术

5、的发展（1）通常微处理器指单片上的处理器1971年Intel设计出第一个商品化微处理器。70年代以来，微处理器的性能提高速度远大于大型机或小型机。目前几乎所有的计算机系统都基于微处理器微处理器性能的提高不仅得益于微电子技术，更加得益于系统结构技术（近年来尤其如此）。主频每3年增加一倍，微处理器速度每18个月增加一倍（约每年增加50%）。性能价格比每年增加70%。微处理器技术的发展（2）微处理器与其它计算机的性能提高速度微处理器技术的发展（3）微处理器性能提高越来越快系统结构对指令系统的影响指令系统本身是系统结构设计的一部分不改变指令系统的前提下提高性能，如流水、多发射等指令系统的兼

6、容性与系统结构发展的矛盾关系Intel的做法编译技术对指令系统的影响指令是编译器的工作结果早期的指令系统主要考虑如何便于编程编译器的影响寄存器分配堆栈用于存放局部变量，全局数据区用于存放静态数据，堆用于存放动态数据。寄存器分配要考虑一致性问题，可以被aliased的数据不能分配在寄存器中（C中的volatile）。为使编译器有效使用graphcoloring启发式算法，至少需要16个通用寄存器。规整：所有访存指令都可用所有寻址方式简单：简化trade-offs，允许编译时确定常量，只提供基本的通用操作。设计指令系统考虑的因素操作操作种类操作数堆栈型、累加器型、寄存器型操作数个数和类

7、型访存操作数的寻址方式：寄存器、立即数、直接、间接...指令编码定长、变长指令系统的类型（1）根据指令使用数据的方式，指令系统分为以下几类堆栈型(Stack)：操作数在栈顶，运算操作不用指定操作数累加器型(Accumulator)：一个操作数总在累加器中，结果也写回累加器寄存器型(Register)，每个操作数都由指令指定Register-Register型，又称为Load-Store型，所有运算操作的操作数都在寄存器中Register-Memory型，Memory-