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1、精简指令系统计算机摘要：计算机指令系统是计算机发展中的一个重要过程，本文论述了精简指令系统的特性和精简指令系统的优化，指令系统的发展是伴随着计算机硬件和软件的发展而演变的，精简指令系统是继发杂指令系统之后而产生的指令系统，为了提高处理器的执行和运算速度，精简指令系统采用了各种优化技术，这些优化技术对于现代计算机的设计也是一个相当重要的环节。关键词：精简指令系统，计算机一：什么是精简指令系统计算机各种指令的集合称为指令系统，或指令集。60年代后期开始出现精简指令系统计算机。精简指令系统，顾名思义，它是一个精简的指令系统。是为了提高了微理器的效率，但需要更复杂的外部程序。 精简指令系统(RISC)
2、只保留功能简单的指令，功能较复杂的指令用自称学来实现，一条指令由操作码和操作数地址两部分组成。这里的计算机指令系统指的是计算机最底层的机器指令，也是CPU能够直接是别的指令。随着计算机系统的复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。最初，人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机。另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实
3、现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。其风格是强调计算机结构的简单性和高效性。RISC设计是从足够的不可缺少的指令集开始的。它的速度比那些具有传统复杂指令组计算机结构的机器快得多，而且RISC机由于其较简洁的设计，较易使用，故具有更短的研制开发周期。RISC结构一般具有如下的一些特点：单周期的执行，采用高效的流水线操作，无微代码的硬连线控制，指令格式的规格化和简单化，采用面向寄存器堆的指令，采用装入存储指令结构。二：RISC体系结构的发展计算机自1946年问世以来，经历了许多重要的变革，其中最有意义的变革也许是从复杂指令集(CISC)过渡到精简指令集(RISC)体系结构。RISC体系结
4、构和设计思想是80年代初出现的，它的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多(其中80%以上都是程序中很少使用的指令)、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点(例如，VAX 780的指令操作类型超过1000种，而Alpha只有不到50种指令)，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，大量利用寄存器间操作，大大简化处理器的结构、优化VLSI器件使用效率，从而大幅度地提高处理器性能、并行处理能力和性价比。到80年代后期，RISC技术已经发展成为支持高端服务器系统的主流技术，各厂商纷纷推出了32位RISC微处理器。对高级语言程序执行性能的研究已经为设计新型处理器体系结构一精简指令系统计算机提供
5、了指南。赋值语句占据的优势表明应对单纯的数据传送进行优化。还有很多IF和LOOP指令存在，需要优化基本的顺序控制机构，以使流水线作业高效率。操作数引用模式的研究表明，在多个寄存器中保存适当数量的操作数，可以提高性能。这些研究已经形成了RISC机的一些关键特性：（1）有限的固定格式的指令集；（2）使用大量的寄存器或使用编译器优化寄存器应用；（3）重点优化指令流水线。因为每条指令完成少数的且多为可预测的操作，RISC的简单指令系统适合高效流水线作业。RISC指令系统体系结构也适合于延迟转移技术，在这种技术中，随同其他指令重新安排转移指令以提高流水线效率。虽然RISC系统已经由不同的（企业）集团以各
6、种方式进行了定义和设计，但大多数设计所提出的关键元素还是共同的。（1）用大量的通用寄存器（或使用编译器技术）来优化寄存器的使用；（2）有限的简单指令系统；（3）重点优化指令流水线作业。在精简计算机指令系统的优化中用到了大寄存器组，使用寄存器存储的理由在于它是可用的最快的存储器件，比主存储器和高速缓存都快。寄存器组实际很小，通常与算术逻辑部件和控制器放在同一芯片上，而且使用比高速缓存和内存储器短很多的地址。因而需要一种允许最频繁访问的操作数保存在寄存器中并使寄存器-存储器操作降至最少的策略。有两种可以采用的基本方法，一种基于软件，一种基于硬件。软件方法靠编译程序最大限度使用寄存器，编译程序力图将
7、给定时间周期内最常用的那些变量分配到这些寄存器中。这一方法要求使用复杂的程序分析算法。硬件方法就是简单地使用更多的寄存器，使更多的变量保存在寄存器中供长时间使用。三：精简指令系统体系结构的特性 尽管精简指令系统结构的可用方法有多种，但对它们而言有一些特性是共同的。第一个特性是每个机器周期有一条机器指令。一个机器周期定义为，机器从寄存器组中取出两个操作数，完成一种算术逻辑部件运算并将结果存入一个寄存器中所用的时间。RISC机器指令应该不比CISC机上的微指令复杂，并且执行起来也很快。因为简单，单周期指令仅需少量或不需要微代码；机器指令可以是硬连线的。这样指令执行起来比其他机器的类似机器指令要快，
8、因为在指令执行期间它不必访问微程序控制存储器。 第二个特性是，大多数操作应该是寄存器对寄存器的，仅有简单的取（LOAD）和存（STORE）操作访问存储器。这种设计特点简化了指令系统，因而也简化了控制器。例如，一个RISC指令系统可以只包括一两种加法（ADD）指令例如整数加，进位加；VAX机则有25种不同的加法指令。另一好处是这种体系结构促进了对寄存器使用的优化，使得频繁访问的操作数保存在高速存储器中。 第三个特性是采用简单的编址方式。几乎所有指令都采用简单的寄存器编址。几种附加的方式，如移位和与PC有关的方式可以包括进去。另外，更为复杂的方式可以用简单的方式在软件中合成。再次强调，这种设计特点
9、简化了指令系统和控制器。最后一个共同特性是采用简单的指令格式。一般来讲，只使用了一种或少数几种格式。指令长度是固定的并按字的边界调整。字段的位置，特别是操作码的位置是固定的。这种设计有很多优点，使用固定字段，操作码译码和寄存器操作数访问可同时进行。简化的格式简化了控制器；因为是按字长单位来读取的，所以，取指令也得到优化。这也表明一条指令不会跨页。四：精简指令系统的优化技术CPU在执行运算时影响其速度的因素有三个：程序中指令的数量、执行每条指令所需要的周期数和CPU的机器周期。为了提高CPU执行和运算速度，RICS充分考虑以上因素，使用以下优化技术。1减少指令执行周期数 对复杂指令系统中大量机器
10、语言程序中的指令使用频度进行统计和测试，从中选取常用指令，另外由于新的操作系统、高级语言和应用环境等要求再增加一些最常用的指令，从而精简指令数量和种类，指令的功能、格式和编码设计上也尽量简化规整，使指令长度固定。同时多使用单击周期指令，使大多数指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内并行处理多条指令，这样既可以减少时钟周期数量，又缩短了指令执行时间，从而提高CPU运行速度。2采用加载/存储结构设计大量的寄存器，增加通用寄存器的数量，只有加载/存储指令可以访问存储器，通过批量传输数据，以提高指令的执行效率，其他指令只对寄存器进行操作，这样就使大多数指令的功能和格式得到简化，也减
11、少了寻址当时的种类，缩短了指令执行时间，同时在CPU中设置数量较大的寄存器组，应用寄存器窗口重叠技术，减少访存的次数，使大多数指令的操作在寄存器间执行，能更简单有效的支持应用出啊徐间频繁的过程调用，减少过程调用中有关先巡航的大量复杂的辅助操作，很好的实现过程与过程之间的参数传递，因此提高了CPU的执行速度。3采用多级指令流水线结构 复杂指令系统一般是顺序执行各条指令，采用流水线技术可同时有多条指令并行执行，有些指令的执行时间可能还需要几个周期完成，但每条指令的平均执行时间减少了，每条指令的周期数也大大减少，基本上达到每条指令只需一个周期，从而减少指令执行时间，是流水线的效率进一步提高。4采用两级告诉缓存结构流水线技术要求输送指令具有连续性，考虑到减少字领的时间，可以设置较大容量的高速缓存，满足CPU频繁取值的需要，减少COU等待时间，是流水线的效率进一步提高。5采用优化程序变异技术 机器中大量寄存器，为了抬高急促气的使用效率，减少访问存储器的次数，还要考虑优化编译程序的设计，对寄存器进行合理的分配和使用。另外，还优化调整指令的执行顺序，减少机器的等待时间，提高处理器的执行速度，由此可见，精简指令系统从硬件和软件两个方面，充分采用各种优化技术，提高处理器的执行和运算速度。
