精简指令系统计算机的体系结构

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1、精简指令系统计算机的体系结构williamStallinga自计算机时代的早期来，计算机体系结构与组织总的发展趋势是增加计算机的蔓鲁性：更大的箱令系统．更多的寻址弓式．更多的专用寄存器，等等。俾是，近几年来．人们对计算机体系结构的一种创新方法即精简指令系统计算机(RISC)瘦生T越来越浓厚的兴趣与更常规的体系结构方法相比，RISC的性能好处，计有：更有效的编译器．不使用微码、更有效的流啦线操作足对中断的更好响应．RISC方法的关键特性包括：一套有限而茼单的指令系统；或者使用太量的寄存器(几百)或者使用优化编译器以便充分利用寄存器尽量减少对主存的访

2、问；着重于优化指争执行流水线．本文介绍R[SC方法的设计原则，重点讨论与RISC体系结构有关的几个关键设计问题。开始时，先考察一下对编译好的高级语言程序的指令执行特r浊进行的戈量研完所得出的结果．这些研究结果促进了RISC的发展。然后概莲辑决三个关键RISC设计问题方法：优化寄存器的使用、精简指争系统和流私线操作．作为例子文中介绍T一个试验系统BerkeleyRISC和一个商用系统MIPSR2OOO．本文基泰上是对有关RISC对CISC(复杂指令系统计算机)的争论进矸讨论。一、引盲自l950年前后存储程序计算机出现以来，在计算机组织与体系结构领域

3、里真正的创新是檄少的。最专人感兴趣灼，可能也是最重要的刨新之一就是精简指令系统计算机。RISC体系结构显著偏离CPU体系结构以往的发展趋势，向绝大多数设计人员真正表达的传统知识提出了挑战。对RISC体系结构的分析，将集中]：计算机组织与体系结构的许多重瑟问题上．曾对试验系统进行过大量研究但商用RISC系统刚开始出现．最近，IBM(RTP￡)和Hewlett—Packard(900系列)两家公司推出了既有RISC特性又有常规计算机特性的机器。虽然RISC系统被不同的研究小组用各种各样的方法进行定义和设计但绝大多数(监非全部)设计所共有的关键部件是：

4、，一套有限而简单的指令系统·或使用硬件或使用编译器达到晟大限度地利用寄存器尽管减少对主存的访问．·着重于优化指令执行流水线·本文概述与RISC体系结构有关的一些关健设计『廿1题．开始，将就鼓励人们对RISC进行太量研究的指令系统的某些结果作一简要介绍一二、指令执行特性与计算机有关的最明显的发展形式之一，是程序设计语言的发展。由于硬件成本己经降低，软件的相对成事己有所上升．此外，程序设计人员的长期短缺无疑也抬高了软件成本．因此，计算机系统在生存期内的主要成本是软件而不是硬件．一些不可靠成份也会增加成本，带来麻烦：程序，无论是系统程序还是应用程序，运

5、行几年后还会不断出现新的故障．研究人员和工业界作出的响应，是开发更加有效，更加复杂的高级程序设计语言(Fortran与Ada相比)．这些高级语言(HLL)允许程序设计人员更简洁地表示算法，考虑细节，以及自然地支持结构程序设计的使用．这种解决办法也产生了另～个问题，称之为语义间隙”(在由HLL提供的操作与由计算机体系结构提供的操作之间)，表现为执行效率低，程序规模过大，编译器复杂等．关键特性包括：大指令系统、几十种寻址方式以用硬件实现的各种HLL语句．后者的一个倒子是VAX-I1机上的CASE机器指令．这种复杂指令系统，旨在·减轻编译器编写者的编写

6、任务；、改善执行效率，因为复杂的操作序列可以用微码来实现：、为更加复杂的HLL提供支持．近几年来，为了确定从HLL程序中产生的机器指令的执行特性与模式，曾进行过大量的研究．这些研究的结果鼓励某些研究人员去寻找一种完全不同的解决办法即篦支持HLL的体系结构更简单而不是更复杂．因此，为了了解提倡RISC的理由，我们先简要介绍一下指令的执行特性．所考虑的计算的各个方面是：一所执行的操作：这些操作确定由CPU执行的功能及其与存储器的相互作用．·所使用的操作数：操作数的类型及其使用频率决定存储它们的存储器组织和访问它们的寻址方式．-执行定序：决定控制和流水

7、线结构．本节余下部分概述对高级语言程序进行大量研究所得出的结果．所有结果都挹建立在动态测量基础之上的．就是说，测量结果是通过执行程序，统计某一特性出现或某一特定特性为真时的次数而收集起来的．相反，静态测量仅仅是对程序的源正文进行这些统计．它们没有给出有关性能的有用信息，因为投有对它们相对于执行每个语句的次数进行加权．1．操作为分析HLL程序的性能，曾进行过各种各样的研究．表1收集了从如下研究得到的关键结果．Knuth[16]最早对程序设计语言进行的研究，考察了作为研究生练习的一批Fortran程序．态测量表明所有语句中有2／3披赋值，l／3具有A

8、=B的形式余部很少有-4"以上舶算子．Tanenbaum[I7]公布的。HLL结构的测量结果，是从用支持结构程序设计的语言(SAL)编写