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精简指令集计算机
阅读:8501时间:2011-05-03 00:06:52

  精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80 年代的MIPS主机(即RISC 机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。

由来

  采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理语言的能力.这对提高计算机的性能是有益的.当计算机的设计沿着这条道路发展时.有些人没有随波逐流.他们回过头去看一看过去走过的道路,开始怀疑这种传统的做法:IBM公司没在纽约Yorktown的JhomasI.Wason研究中心于1975年组织力量研究指令系统的合理性问题.因为当时已感到,日趋庞杂的指令系统不但不易实现.而且还可能降低系统性能.1979年以帕特逊教授为首的一批科学家也开始在美国加册大学伯克莱分校开展这一研究.结果表明,CISC存在许多缺点.首先.在这种计算机中.各种指令的使用率相差悬殊:一个典型程序的运算过程所使用的80%指令.只占一个处理器指令系统的20%.事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令.这样-来,长期致力于复杂指令系统的设计,实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器.同时.复杂的指令系统必然带来结构的复杂性.这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计失误.此外.尽管VLSI技术现在已达到很高的水平,但也很难把CISC的全部硬件做在一个芯片上,这也妨碍单片计算机的发展.在CISC中,许多复杂指令需要极复杂的操作,这类指令多数是某种语言的直接翻版,因而通用性差.由于采用二级的微码执行方式,它也降低那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度.因而.针对CISC的这些弊病.帕特逊等人提出了精简指令的设想即指令系统应当只包含那些使用频率很高的少量指令.并提供一些必要的指令以支持操作系统和语言.按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构.简称RISC.

与复杂指令集计算机的区别

  我们经常谈论有关"PC"与"Macintosh"的话题,但是又有多少人知道以Intel公司X86为核心的PC系列正是基于CISC体系结构,而 Apple公司的Macintosh则是基于RISC体系结构,CISC与RISC到底有何区别?

  从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集,它必须对不等长指令进行分割,因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长精简指令集,CPU在执行指令的时候速度较快且性能稳定。因此在并行处理方面RISC明显优于CISC,RISC可同时执行多条指令,它可将一条指令分割成若干个进程或线程,交由多个处理器同时执行。由于RISC执行的是精简指令集,所以它的制造工艺简单且成本低廉。

  从软件角度来看,CISC运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而且它拥有大量的应用程序。因为全世界有65%以上的软件厂商都理为基于CISC体系结构的PC及其兼容机服务的,象赫赫有名的Microsoft就是其中的一家。而RISC在此方面却显得有些势单力薄。虽然在RISC上也可运行DOS、Windows,但是需要一个翻译过程,所以运行速度要慢许多。

  目前CISC与RISC正在逐步走向融合,Pentium Pro、Nx586、K5就是一个最明显的例子,它们的内核都是基于RISC体系结构的。他们接受CISC指令后将其分解分类成RISC指令以便在遇一时间内能够执行多条指令。由此可见,下一代的CPU将融合CISC与RISC两种技术,从软件与硬件方面看二者会取长补短。

对性能的提升

  提升中央处理器性能的方法

  增加寄存器的大小

  增进内部的平行性

  增加高速缓存大小

  加入其它功能,如I/O和计时器

  加入向量处理器(SIMD),如VISAltiVec、SSE(Streaming SIMD Extensions)

  避免附加。使朝向省电化(battery-constrained)或小型化的应用

  集成多个核心

  硬件多线程技术

  RISC设计中常见的特徵:

  统一指令编码(例如,所有指令中的op-code永远位於同样的位元位置、等长指令),可快速解译:

  泛用的暂存器,所有暂存器可用於所有内容,以及编译器设计的单纯化(不过暂存器中区分了整数和浮点数);

  单纯的寻址模式(复杂寻址模式以简单计算指令序列取代);

  硬体中支援少数资料型别(例如,一些CISC电脑中存有处理位元组字串的指令。这在RISC电脑中不太可能出现)。

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