王 曉 齊文軍 劉苗輝

（遼寧大連91550部隊，遼寧 大連 116023）

淺析計算機體系結構和RISC技術

王 曉 齊文軍 劉苗輝

（遼寧大連91550部隊，遼寧 大連 116023）

該文系統(tǒng)概述了現(xiàn)代計算機的兩種主要體系結構CISC體系和RISC體系，敘述了當代RISC主流技術及主要特征，以及發(fā)展趨勢，展望了未來計算機體系發(fā)展方向。

CISC；RISC；體系結構

1 計算機體系結構現(xiàn)狀

當今微處理器體系結構，從傳統(tǒng)意義指令界面上來看基本劃分成兩大類：一類是CISC體系結構，如INTEL的X86芯片，另一類是RISC體系結構，如SPARC，MIPS，POWER PC，ALPHA等，不管是CISC體系結構還是RISC體系結構，人們在計算機體系結構的設計上都追求了二個方面的目標。

2 CISC和RISC的區(qū)別

CISC體系的指令集由微程序來實現(xiàn)，也就是說它的每一個操作均由若干微操作的程序組合來實現(xiàn)，所以CISC可以使用微指令編程的方式來實現(xiàn)多種和功能較復雜的指令。在RISC體系的指令集中，它的每一條指令直接由硬布線來實現(xiàn)。這就是說它的每條指令執(zhí)行原則上有自己一套邏輯組合的時序電路直接實現(xiàn)，所以單條指令實現(xiàn)所占用的硬件資源相應要多。因為RISC體系沒有能采用增加單條指令的功能或提高指令語義，也沒有去增多指令的條數(shù)，而是集中于它的精簡指令集上。RISC將把用戶使用頻率高的，數(shù)量少的指令通過硬件實現(xiàn)。其基本特征是指令單周期執(zhí)行，一個周期內比CISC計算機有更高的指令吞吐率，且指令系統(tǒng)非常簡單。RISC的思想認為，只要給一個基本的指令，就能產生一個豐富的軟件系統(tǒng)。

如果說CISC是計算機技術發(fā)展的天然產物，那么RISC應該是計算機技術發(fā)展的必然產物。兩者之間的風格主要差異表現(xiàn)在兩種體系結構的設計思想不同。

計算機的一個最重要的性能是速度，一般用執(zhí)行程序的時間來測量其速度。一個程序的執(zhí)行時間等于其中的指令數(shù)乘以每條指令的執(zhí)行時間，每條指令的執(zhí)行時間等于每條指令執(zhí)行的周期數(shù)和每周期的時間（即主頻的倒數(shù)）。即TCPU＝IN×CPI×TC，速度可從以下方面來提高：

提高主頻，則一個周期內的門的級數(shù)要少，器件的延時要小，現(xiàn)代工藝的迅速發(fā)展使器件的延時越來越小，主頻也越來越高。提高每條指令執(zhí)行的周期數(shù)小?？赏ㄟ^提高指令的語義級別來達到提高機器速度。

由此可見，CISC體系主要通過提高指令語義級別來減少實現(xiàn)程序的指令條數(shù)。簡化編譯。但實際上指令系統(tǒng)中加入許多新的復雜指令后，并沒有是編譯簡化。相反，由于復雜指令的加入，使得編譯軟件的設計更加困難，因為編譯的基本任務是完成大量的各種分情況（CASE）分析，指令系統(tǒng)越復雜，則分情況的數(shù)目就越多。分析就越困難，需要的時間就越長，而且就越難獲得關于代碼生成的優(yōu)化結果，統(tǒng)計表明，實際程序在執(zhí)行過程中80%－90%的時間是花在占指令系統(tǒng)10%－20%的常用簡單指令上。

上述的情況使得CISC設計風格不可能成為經濟有效的設計風格。而RISC體系的指令簡單，指令集較小，指令語義低，幾乎每條指令都是單周期執(zhí)行，控制簡單，基本是一些簡單的邏輯電路，因此采用邏輯硬布線。這樣可以減少單條指令周期，提高系統(tǒng)主頻來提高指令執(zhí)行速度。為了能有效地支持高級語言并提高CPU性能，在統(tǒng)計測試地基礎上，RISC結構采用了以下一些特殊技術。

在CPU中設置了較大量地寄存器，并采用窗口重疊寄存器技術；采用優(yōu)化延遲轉移技術；采用比較轉移指令；采用優(yōu)化編譯技術。

3 RISC的發(fā)展趨勢研究

RISC要達到很高的性能，必須有相應的技術支持。目前，在RISC處理機中的發(fā)展趨勢是對以下幾種關鍵技術方面進行研究。

延時轉移技術－在RISC處理機中，指令一般采用流水線方式工作。取指令和執(zhí)行指令并行進行。如果取指令和執(zhí)行指令各需要一個周期，那么，在正常情況下，每一個周期就能執(zhí)行完一條指令。然而，在遇到轉移指令時，流水線就可能斷流。

采用指令延遲轉移技術時，指令序列的調整由編譯器自動進行，一般不需要人來干預.但是如果要在目標程序中進行，就很容易引起人們的誤解。

指令取消技術。采用指令延時技術，遇到條件轉移指令時，調整指令序列非常困難，在許多情況下找不到可以用來調整的指令。有些RISC處理機采用指令取消技術。在使用指令取消技術的處理機中，所有轉移指令和數(shù)據(jù)變換指令都可以決定下面待執(zhí)行的指令是否應該取消。如果指令被取消，其效果相當于執(zhí)行了一條空操作指令，不影響程序的運行環(huán)境。為了提高程序的執(zhí)行效率，應該盡量少取消指令，以保持指令流水線處于充滿狀態(tài)。因此，可以采用如下規(guī)則：如果是向后轉移（轉移的目標地址小于當前程序計數(shù)器的值），則在轉移不成功時取消下條指令，否則，執(zhí)行下條指令；如果是向前轉移，則正好相反，在轉移不成功時執(zhí)行下條指令，否則，取消下條指令。

重疊寄存器窗口技術。RISC的指令系統(tǒng)較簡單，CISC中的一條復雜指令在RISC中通常要用一段子程序來實現(xiàn)。因此，RISC程序中的CALL和RETURN指令要比CISC程序中的多。在執(zhí)行CALL指令時，必須把硬件現(xiàn)場（主要包括程序計數(shù)器和處理機狀態(tài)字）和程序本身的軟件現(xiàn)場（主要指在子程序中要使用的通用寄存器等）保存到主存儲器中.另外，還要把執(zhí)行子程序所需要的參數(shù)從主程序傳送過去。在執(zhí)行RETURN指令時，要做相反的工作，最后把運算結果傳送回主程序。因此，執(zhí)行指令時，訪問存儲器的信息量非常大。

為了使RISC處理機中的指令流水線高效率地工作，盡量不斷流，優(yōu)化編譯器必須分析程序的數(shù)據(jù)流和控制流，當發(fā)現(xiàn)指令流有斷流可能時，要調整指令序列。對有些可以通過變量重新命名來消除的數(shù)據(jù)相關，要盡量消除。這樣，可以提高流水線的執(zhí)行效率，縮短程序的執(zhí)行時間。

硬件為主固件為輔。指令系統(tǒng)用微程序實現(xiàn)的主要優(yōu)點是：便于實現(xiàn)復雜指令，便于修改指令系統(tǒng)，增加了機器的靈活性和適應性，主要缺點是：執(zhí)行速度低。RISC要求主要指令能在單周期內執(zhí)行完成，采用微程序技術是不可能做到的。因此，RISC必須主要采用硬聯(lián)邏輯來實現(xiàn)指令系統(tǒng)。對于那些必需的復雜指令，也可用固件（微程序技術）實現(xiàn)。

RISC優(yōu)化編譯技術。RISC思想在采用硬件技術提高處理機性能的同時，也十分重視軟件的優(yōu)化編譯技術。可以說，RISC是硬件和軟件相結合的產物。沒有優(yōu)化編譯技術的支持，RISC處理機的性能就不可能得到充分的發(fā)揮。

RISC的硬件設計為優(yōu)化編譯程序的設計帶來了許多方便，同時也造成一些困難，帶來的方便主要有。

由于RISC的指令系統(tǒng)比較簡單，而且對稱.均勻，優(yōu)化編譯程序不必為具有類似功能的指令做復雜的指令選擇工作。RISC的尋址方式簡單，只有LOAD和STORE指令能夠訪問存儲器，其他指令均在通用寄存器之間進行操作。因此，可簡化優(yōu)化編譯器在選擇尋址方式過程中要做的工作，省去了是否要生成訪問存儲器指令的選擇工作。因為大多數(shù)指令都能在一個周期內執(zhí)行完成，為優(yōu)化編譯器調整指令序列提供了極大的方便。

結束語

隨著科學技術的飛速發(fā)展以及計算機應用領域的日益擴大，對計算機系統(tǒng)的處理能力，計算速度提出了更新更高的要求，為了大幅度提高計算機并行處理能力，在計算機系統(tǒng)結構技術上必須有所突破，RISC技術作為計算機發(fā)展過程中的一個里程碑，為計算機結構本身的更新?lián)Q代及計算機應用的深入和其領域的拓寬開辟廣闊前景。日趨成熟的RISC技術正廣泛的應用在計算機的許多領域當中，這些領域的研究進展將有力促進新一代計算機的發(fā)展。

[1]鄭偉民，湯志忠編.計算機體系結構.北京清華大學出版社.

[2]陸鑫達主編.計算機系統(tǒng)結構.高等教育出版社.

[3]李學干主編.計算機系統(tǒng)結構.西安電子科技大學出版社.

TP303

B