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精简指令集的特点_精简指令集有哪些指令

姚小熊27 来源:网络整理 作者:网络整理 2020-08-10 11:26 次阅读

精简指令集的特点

精简指令集计算机RISC的特点是指令及其格式精少,操作和控制简捷。具体有下列几个方面。

精简指令集

RISC结构采用精简的,长短划一的指令集,使大多数的操作获得了尽可能高的效率。某些在传统结构中要用多周期指令实现的操作,在RISC结构中,通过机器语言编程,就代之以多条单周期指令了。精简的指令集大大改善了处理器的性能,并推动了RISC的设计。对于到底精简到什么程度的问题,没有一定的回答。将现有RISC系统与CISC系统作一对比,便可见大概。通常,对RISC而言:

指令数少,不超过128条。

寻址方式少,不超过4种。

指令格式少,不超过4种。

处理关于扩充指令集的建议是非常慎重的,要经过认真的权衡,验证,在看它们是否真正提高计算机的性能。例如,MIPS采用了一条规则:增加一条指令必须使性能在一定的应用范围内得到1%的增益,否则这条指令将被拒绝。

指令时钟周期,指令长度相等

如果每一条指令要执行的任务既简单又明了,则执行每一条指令所的时间可以被压缩周期数也可减少。RISC的设计目标是实现一个机器周期执行一条指令,使得系统操作更加有效。接近这个目标的威廉希尔官方网站 包括指令流水线及特定的装/存结构等。典型的指令可包括取指、译码、执行和存装果等阶段。单周期指可通过让所有指令为标准长短来实现。标准指令长短应与计算机系统的基本字长相等,通常与系统中数据线数相等。

在任何取指周期,完整的单个指令要传给CPU。例如,如果基字长是32位,且系统总线的数据部分是32线,则标准指令长度是32位。要让所有指令的执行时间一致较困难。有些指令,包含简单的在CPU寄存器上的逻辑操作(清寄存器等),则可容易地在一个CPU时钟周期内执行;其它指令可能包含内存存取(对内存的读写、取数等)或多周期操作(乘、除等),可能无法在单周期内执行。这给设计者提出了这样的要求;让大多数经常使用的指令得以在一个单周期内执行。

指令流水线

减少执行一条指令所需周期数的方法是重叠执行多条指令。指令流水线采用这样的工作方式:将每条指令的执行分为几个离散部分,然后同时执行多条指令。任何指令的取指和执行阶段占据相同时间,理想的是一个单周期。这可说是RISC最重要的一条设计原则。所有从内存到CPU执行的指令,都遵循一种恒定的流的形式。每条指令都以同样的步调执行,无等待的指令。CPU始终是忙的。达到流水线操作的必要条件是:

标准的,固定长短的指令,它与计算机字长和数据线的字长相等。

所有指令的标准执行时间,最好在一个单CPU周期内。

例SPARC芯片等采用了取指、译码、执行和写入结果四级流水线结构,以最大限度来提高处理器性能。在每一个时钟周期的头上,都可以开始执行一条新的指令,这就保证了每个机器周期从存贮器平均取出一条新的指令,从而,总体看,大多数指令能在单周期内实现。指令流水线威廉希尔官方网站 可以比作一条装配线—指令象是被加工的产品一样,从一道工序流到下一道工序,一直到它执行完为止。

因此,指令流水线利用一个等于其流水线深度的因子,来减少指令周期数是可能的,但这样的话,要求流水线始终充满有用指令且没有任何东西阻碍指令通过流水线,这样的需求给结构增加了一定的负担。例如,对于ALU等资源的竞争,阻止了流水线中指令的流动。长短不一的执行时间所引起的不良后果更是显而易见,这也是为什么RISC要定义一个有前面所述特点的指令集的原因。

装入和存数(LOAD/Store)结构

执行与内存有关的操作指令,不是要求增加每个周期的时间,就是要求增加指令的周期数,二者必取其一。因为这些指令要计算操作数的地址,将所需的操作数从内存中读出,计算得出结果,再把结果送回内存,所以它们执行的时间就长得多。为了消除这种指令的负作用,RISC采用了这样的装入和存数结构:只有装入(Load)和存数(Store)指令才去访间内存,所有其它操作只访问保存在处理器寄存器中的操作数。其优点在于:

减少访问内存的次数,降低了对内存带宽的要求。

将所有的操作限制于只针对寄存器,帮助了指令集的简化。

取消内存操作可使编释器优化寄存的分配更容易—这种特性减少对内存的存取,同时也减少了每一任务的指令数。

所有这些都有助于RISC实现的每个周期执行一条指令的目标。尽管如此,装入和存数指令仍阻碍着IRSC设计目标的实现。用优化编译威廉希尔官方网站 处理装入指令和分支指令的延迟,有助问题的解决。优化编译威廉希尔官方网站 虽不是专门面向RISC结构的,但优化编译器依赖于RISC结构完成其出色的任务,RISC结构又依赖于优化编译器得到它们更完善的性能。编释器要能分析数据和控制流,并在此基础上调整指令的执行顺序,巧妙安排寄存器的用法。前一种作用可减少CPU的空闲时间,后一种作用可以提高寄存器中所保存的数据的可再用率,减少访存次数,缩短数据通路的长度。

拥有较大寄存器组

为了便于实现多数指令在寄存器之间的操作,即所谓的寄存器到寄存器操作,必须有足够量的CPU通用寄存器。足量的寄存器使得在随后操作中需作为操作用的中间结果暂存在CPU寄存器中,因而就减少了对内存的装入和存数,加快了运行速度。工业化RISC系统中至少采用32个通用CPU寄存器。

采用硬连线控制

由于微程序设计给设计者提供的灵活性,许多CISC系统是微程序控制的。不同的指令通常具有不同长度的微程序,这意味着每条指令执行的周期数不一样,这与所有指令一致的、流线的处理原则相矛盾。但这可由硬连线控制来解决,而且速度会更快。因此RISC应该是硬连接线控制的。当每条指令与一单条微指令有一对一相相符合的关系时可有例外,也就是每个微程序由一单个控制字组成。这种设计可与用硬连线控制一样快,一样高效,并使设计者得益于微程序设计的优越性。采用硬连线控制,可使RISC系统控制器简单。设计的简单又使机器的布局更加合理,使得设计者可以集中精力去优化那些剩下的,为数不多的,但又很关键的处理器特性。简化的结构使芯片上面积资源紧张的状态得以缓解,一些对性能至关重要的结构,象大的寄存器元件,转换查找缓存(TLB)S协处理器和乘除单元都可以装在同一块芯片上。这些附加的资源又使处理器增加了很大的性能优势。事实上,RISC并非一定严格地完全具备上述特点,有些称作RISC型的系统甚至违背了上述某方面。上述特点应被当作一种指导原则来解释RISC的性质。放宽点讲,满足大部分这些特点的系统就能被看作RISC。

精简指令集有哪些指令

精简指令集 精简指令集,计算机CPU的一种设计模式,也被称为RISC(Reduced Instruction Set Computing 的缩写)。常见的精简指令集微处理器包括AVR、PIC、ARM、DEC Alpha、PA-RISC、SPARC、MIPS、Power架构等。早期,这种CPU指令集的特点是指令数目少,每条指令都采用标准字长、执行时间短、CPU的实现细节对于机器级程序是可见的等等。

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