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1、1,2-4 指令系统的发展和改进,CISC和RISC 按CISC方向发展和改进指令系统 按RISC方向发展和改进指令系统,2,指令系统复杂的原因,当高级语言（如C语言）取代汇编语言后，就不断增加新的复杂指令来支持高级语言程序的高效实现； 由于访主存的速度显著低于访CPU寄存器的速度，因此在功能相同时，不断用一条功能复杂的新指令来取代原先需一连串指令完成的功能，将程序软件固化和硬化； 系列机软件要求向上兼容和向后兼容，使得指令系统不断扩大和增加；,3,1 指令系统的发展,复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）CISC 增强原有指令的功能，设置更为复
2、杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。 IBM 370、VAX-11/780、VAX 8600、Intel i486、MC 68040 精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）RISC 减少指令总数和简化指令的功能，降低硬件设计的复杂性，提高指令的执行速度。 Sun SPARC、Intel i860、MC 88100、IBM 6150,4,2 按CISC方向发展与改进指令系统,(1)面向目标程序的优化实现改进 (2)面向高级语言的优化实现改进 (3)面向操作系统的优化实现改进,5,(1)面向目标程序的优化实现来改进,对使用频
3、度高的指令增强其功能 静态使用频度(在程序中统计)-减少存储空间 动态使用频度(在程序运行过程中统计)-减少执行时间 提高传送指令功能 增加成组取、成组传送指令 增加条件转移指令 增强功能复合指令 提高运算型指令功能,6,(2)面向高级语言的优化实现来改进,增加对高级语言和编译系统支持的指令功能 对源程序中各种高级语言语句进行使用频度的统计与分析，对于使用频度高的语句，可以设置专门的指令或采取措施增加相应指令的功能，以提高其编译速度和执行速度。 面向编译，优化代码生成 增加指令集结构的规整性来改进指令系统。 规整性：没有或尽可能减少例外的情况和特殊的应用，以及所有运算都能对称、均匀地在存储器单
4、元或寄存器单元之间进行。,7,高级语言计算机指令系统 面向高级语言(HL)的机器 缩小机器语言和高级语言的语义差距。 间接执行高级语言机器 高级语言和机器语言是一一对应的，用汇编的方法(可以用软件实现，也可以用硬件实现)把高级语言源程序翻译成机器语言程序。 直接执行型高级语言机器 高级语言就作为机器语言，直接由硬件或固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释以执行它。 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、多种系统结构，并能动态切换,8,各种语言与传统机器指令系统结构的语义差距,9,图 2.23 B1700 具有多种系统结构,10,各种机器的语义差距,解释,11,(3)面向操作系统的优化实
5、现来改进,缩短操作系统与计算机系统结构之间的语义差距。 统计分析操作系统中常用指令和指令串的使用频度来改进 增设专用于操作系统的新指令 频繁使用的，对速度影响大的机构型软件子程序硬化或固化，改为直接用硬件或微程序实现 机构型：基本、通用的功能，如进程管理、信息保护和存储管理等。 操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构。,12,3 按RISC方向发展与改进指令系统,精简指令系统思想的提出 IBM公司的John Cocke设计一个电话交换系统的控制器，1979年研制出32位的IBM 801 小型计算机，120条指令，10MIPS(1千万条指令/秒)。 1979年，美国加州大学伯克利分校
6、David Patterson研究小组开始研究RISC系统。 1981年Patterson等人研制了32位RISC I微处理器，共31种指令，3种数据类型，2种寻址方式；研制周期10个月，比当时最先进的MC68000和Z8002快3至4倍； 1983年又研制了RISC II，指令种类扩充到39种，单一的变址寻址方式，通用寄存器138个,13,CISC的主要特点,指令系统庞大，指令功能复杂，指令格式、寻址方式多； 绝大多数指令需多个机器周期完成； 各种指令都可访问存储器； 采用微程序控制； 有专用寄存器，少量； 难以用优化编译技术生成高效的目标代码程序；,14,CISC存在的问题,指令系统庞大，
7、指令功能复杂，指令格式、寻址方式多； 执行速度慢； 难以优化编译，编译程序复杂； 80%的指令在20%的运行时间使用； 无法并行； 无法兼容；,15,典型的CISC产品,16,从CISC到RISC,CISC指令系统存在的问题： 20与80规律 CISC中，大约20的指令占据了80的处理机时间。其余80指令：使用频度只占20的处理机运行时间 VLSI技术的发展引起的问题 VLSI工艺要求规整性，RISC正好适应了VLSI工艺的要求 主存与控存的速度相当，简单指令没有必要用微程序实现，复杂指令用微程序实现与用简单指令组成的子程序实现没有多大区别；由于VLSI的集成度迅速提高，使得生产单芯片处理机成
8、为可能。,17,从CISC到RISC（续）,软硬件的功能分配问题 复杂的指令使指令的执行周期大大加长一般CISC处理机的指令平均执行周期都在4以上，有些在10以上 CISC增强了指令系统功能，简化了软件，但硬件复杂了，设计周期加长。,18,减少CPI是RISC思想的精华,程序执行时间的计算公式： P = I CPI T 其中： P是执行这个程序所使用的总的时间； I是这个程序所需执行的总的指令条数； CPI (Cycles Per Instruction)是每条指令执行的平均周期数 T是一个周期的时间长度。 RISC的速度要比CISC快3倍左右，关键是RISC的CPI减小了,19,硬件方面：采
9、用硬布线控制逻辑，减少指令和寻址方式的种类，使用固定的指令格式，采用LOAD/STORE结构，指令执行过程中设置多级流水线等。 软件方面：十分强调优化编译技术的作用 RISC设计思想也可以用于CISC中,20,例如：Intel公司的80x86处理机的CPI在不断缩小 8088的CPI大于20 80286的CPI大约是5.5 80386的CPI进一步减小到4左右 80486的CPI已经接近2 Pentium处理机的CPI已经与RISC十分接近 目前，超标量、超流水线处理机的CPI已经达到0.5，实际上用IPC (Instruction Per Cycle)更确切。,21,RISC的定义,90年代
10、初，IEEE的Michael Slater对RISC定义的描述： RISC为使流水线高效率执行，应具有： 简单而统一格式的指令译码 大部分指令可以单周期执行完成 仅Load和Store指令可以访问存储器 简单的寻址方式 采用延迟转移技术 采用LOAD延迟技术 RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有： 三地址指令格式、较多的寄存器、对称的指令格式,22,RISC的设计原则,Simple is fast, Small is fast 确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言实现及其他功能的最有用的指令，让指令的条数大大减少，一般不超过10
11、0条。 大大减少指令系统可采用的寻址方式的种类，一般不超过两种,并让全部指令都具有相同的长度。 所有指令在一个机器周期完成 扩大通用寄存器的个数，一般不少于32个寄存器，以尽可能减少访存操作，所有指令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可访存，其他指令的操作一律都在寄存器间进行。 为提高指令执行速度，大多数指令都采用硬联控制实现，少数指令采用微程序实现。 通过精简指令和优化设计编译程序，以简单有效的方式来支持高级语言的实现。,23,CISC与RISC的主要特征对比,24,RISC结构采用的基本技术,遵循按RISC机器一般原则设计的技术 在逻辑上采用硬联实现和微程序固件实现相结合的技术
12、在CPU中设置数量较大的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口的技术 指令的执行采用流水和延迟转移技术 分别设置指令和数据高速缓冲Cache 采用认真设计和优化编译系统设计的技术,25,重叠寄存器窗口技术,目标：缩短CALL、RETURN操作时间 方法：将设置的大量的寄存器，分成多个组和全局区；每个组中分高、本地、低三个区；相邻组的高、低区重叠，加速参数与结果的传递。 结果：节省了保存现场和恢复现场等辅助时间。,26,27,延迟转移技术（Delayed Branch）,将转移指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，从而使预取的指令不作废，节省一个机器周期。,28,举例,
13、29,举例（续）,30,采用比较转移指令,在RISC机中，把比较和转移（在CISC机中需用两条指令完成的功能）合并成一条指令。该指令将直接对两个对象（寄存器-寄存器或存储器-立即数）进行相等或不等比较，然后根据比较结果判别是否进行转移。这样就可省去一条指令，并不受条件码的约束。,31,优化编译技术,使用大量寄存器，优化寄存器的分配和使用，提高效率，减少访存次数。 减少局部变量和工作变量的中间传递。 优化调整指令的执行次序，减少机器的空等时间。,32,RISC技术的发展,采用RISC结构后可以带来如下明显的好处： 简化指令系统设计，适合超大规模集成电路实现。 提高机器的执行速度和效率。 降低设计
14、成本，提高了系统的可靠性。 可以提供直接支持高级语言的能力，简化编译程序的设计。,33,RISC结构也还存在某些不足和问题， 主要是： 由于指令少，使原在CISC上由单一指令完成的某些复杂功能现在需要用多条RISC指令才能完成，这实际上加重了汇编语言程序员的负担，增加了机器语言程序的长度，从而占用了较大的存贮空间，加大了指令的信息流量。 对浮点运算和虚拟存贮器的支持虽有很大加强，但仍不够理想。 相对来说，RISC机器上的编译程序要比CISC机器上的难写。,34,典型的RISC型机器的基本特征,35,代表性的RISC处理机特征,36,代表性的RISC处理机特征（续）,37,小结,名词解释 数据表示 RISC CISC 数据表示的含义及与数据结构的关系 定义数据表示，标识符、描述符，两者的区别 引入数据表示的原则 Huffmann编码与扩展编码 RISC的设计原则、基本技术及存在的问题,
