体系结构论文

学 院：XX学院 班 级：XX

姓 名：XX 学 号：XXX 课程论文题目：论计算机系统结构的发展现状和方向 课程名称：计算机系统结构 评阅成绩： 评阅意见：

成绩评定教师签名： 日期： 2009年4月25日

论计算机系统结构的发展现状和方向

学 生：XX

(学院：XX院，班级：XX，学号：XX；XX)

摘要：CISC和RISC是近年来计算机市场上依据指令系统优化方法不同而划分出的两大

主流计算机结构.本文从复杂指令系统计算机(CISC)到精简指令系统计算机(RISC)的发展,及RISC关键技术出发,结合实际应用中出现的新技术,展望了计算机系统结构未来的发展方向。

关键词：CISC技术；RISC技术：指令系统；重叠寄存窗口

引言：在过去相当长的时间内,个人计算机即PC机的CPU主要分为两大类:其一是INTEL

PENTIUM为代表所采用的CISC和以MOTOROLA POWERPC为代表所采用的RISC.CISC的全称为COMPLEX INSTRUCTION SET COMPUTER -复杂指令系统计算机.它主要通过增强计算机指令系统功能,并且设置一些用硬件来实现的复杂指令,通过微程序去执行大量功能各异的指令,从而优化计算机系统性能.RISC 的全称是REDUCED INSTRUCTION SET COMPUTER ,精简指令系统计算机,其基本思想是尽量简化计算机指令系统功能.只保留了数量很少的,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现.

一、 从CISC到RISC

70年代以前的CBC结构下的计算机,将许多复杂指令通过硬件来实现,很大程度简化了目标程序,CISC指令长度不一,可以接节省存储空间,而且,CISC指令可以直接对存储器操作,使得通用寄存数目较少.

从80年代,随着VLSI技术的发展,电路集成度大大提高,而由于CISC中指令系统庞大寻址方式,指令格式较多且长度不一,许多复杂指令的控制逻辑及其不规整,用VLSI工艺实现存在很大困难,增加了硬件复杂度和设计成本,同时大量DRAM做主存储器,主存与控存速度相当,复杂指令用微程序实现和简单指令的子程序实现效率相当,而且,大量的数字统计表明20%指令占据了80%的处理机时间,许多指令使用频度低.

针对以上这些问题,1980年,PATTERSON和DITZEL提出了精简指令系统计算机的设想,通过精简,指令系统使计算机结构变得简单,合理,有效.IBM在1980年推出了PC/XT,然后又推出了RISC系统/6000.SUN也在其SPARC处理器中采用了这个概念.直到最近,惠普在其NON-STOP,ALPHA SERVER和HP 9000服务器产品线中一直大量使用RISC技术.

二、 RISC技术的主要内容

一般来说,CPU的执行速度受程序中的指令数L,每条指令执行所需的周期数CPI和每个周期的时间T 3个因素的影响.RISC技术主要从减少CP入手,采取了以下措施:

(一)精简指令系统.大多数典型的RISC指令系统通过采用寄存器堆减少缓存次数,减少CPI来提高CPU速度.同时,采用简单的指令格式,固定的指令。

字长和简单的寻址方式,让指令的执行尽可能安排在一个周期内完成

(二)流水线和延迟转移技术.采用流水线技术的方式工作,取指令和执行指令并行进行,虽然一条指令的执行需要几个周期的时间,但从平均效应来看,每条指令的周期数大大减少,甚至达到每条指令只需一个周期.同时为了避免转移指令中出现重叠方式预取的下一条指令

作废的浪费,提出了延迟转移的思想,在这两类指令之后分别安排一条与它们不存在依赖关系的可立即执行的指令,确保流水线的高效运行

(三)采用LOAD,STORE结构和高速缓存结构.RISC技术只允许LOAD指令和STORE指令执行存储器操作,其他指令只能对寄存器进行操作,使大多数指令的功能得到简化.缩短了执行时间.同时,RISC机器还设置了较大容量的高速缓存,以扩展存储器的带宽,满足CPU频繁取指的需要,提高流水线的效率.

(四)重叠寄存器窗口技术.重叠寄存窗口技术的基本思想是:在机器中配置一个很大的寄存器群,将其划分给若干个过程使用,每个过程所用的一组寄存器又可分为三部分,第一部分用来与高一级(本过程的主调过程)交换参数;第二部分只供本过程使用;第三部分用来与低一级过程(本过程的受调过程)交换参数.每个过程的第三部分寄存器与低一级的第一部分寄存器合用相同的物理寄存器,以达到寄存器的重叠使用.利用该重叠窗口进行过程的参数交换没有任何延迟.

(五)在逻辑上采用以硬件为主,软件为辅的技术.RISC控制器采用组合逻辑部件,而不采用微程序控制.首先微程序对微码的解释和执行很难在一个机器周期内完成,这与RISC机器在一个机器周期内执行一条指令的思想是相违背的;其次,RISC采用硬布线控制逻辑的控制部件所占面积要比微程序存储器少得多,可以利用所节余的面积安放寄存器组或其它逻辑电路.

(六)采用优化编译程序.RISC指令集的简化使用CPU执行同样一个程序所需的指令数I比CISC所需的指令数I多,但通过优化编译程序和其他方法可减少指令数I.另外,还可优化调整指令的执行顺序,以尽量减少机器的空等时间.

(七)指令流调整技术.为了使RISC处理机中的指令流水线高效地工作.当发现指令流有断流可能时,调整指令序列,可以通过重命名来取消数据相关等,从而提高流水线执行效率.

(八)指令取消技术.在使用指令取消技术的处理机里,所有指令都可以决定下面待执行的指令是否应该取消,如果取消,相当于执行一条空指令,不影响程序执行环境.

三、RISC技术的优缺点

实践证明,采用RISC结构可以带来如下好处:((1)精简指令系统设计适合超大规模集成电路实现.指令条数相对较少,寻址方式简单,指令格式规整,控制器的译码和执行硬件相对简单,VLSI片中用于实现控制器的这部分面积所占的比例明显减少.(2)可以提供直接支持高级语言的能力,简化编译程序的设计.指令总数的减少,缩小了编译过程中对功能类似的机器指令进行选择的范围,减轻了对各种寻址方式进行选择,分析和变换的负担,易于更换或取消指令,调整指令顺序,提高程序的运行速度.而且,由于主要操作在寄存器间进行,及寄存器重叠窗口的采用,直接支持子程序和过程调用的高级语言处理.(3)可提高机器的执行速度和效率,降低设计成本,提高系统的可靠性.指令系统的精简可以加快指令的译码,控制器的简化可以缩短指令的执行延时等等,这些都可以提高程序执

行的速度.同时也缩短了设计周期,减少了设计错误,降低了设计成本,提高了系统的可靠性.

四、计算机系统结构的新发展---VLIW

VLIW(VERY LONG INSTRUCTION WORD)超长指令集架构,是微处理器设计领域中的一种越来越流行的技术,采用了先进的EPIC(清晰并行指令)设计.这种类型的CPU芯片能从应用程序中提取高度并行且长度稍短的指令组成定长长指令数据,并把这些机器指令均匀地分配给芯片中的众多执行单元.

VLIW最大优点是通过编译器静脉调度发掘程序中潜在的并行性,简化了处理器的结构,删除了处理器内部许多复杂的控制电路,这些电路 通常是超标量芯片(CISC和RISC)协调并行工作时必须使用的.VLIW的结构简单,也能够使其芯片制造成本降低,价格低廉,能耗少,而且性能也要比超标量芯片高得多.目前基于这种指令架构的微处理器主要有INTEL的IA-64和AMD的X86-64两种。

参考文献

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[3]徐炳文; 流水计算机的分析 [J];广西梧州师范高等专科学校学报; 2003年03期 [4]苟加志; 浅谈RISC技术 [J];渝州大学学报(自然科学版); 2000年04期