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收稿日期 2006 10 25 作者简介 张井茹 1972 女 辽宁北票市人 讲师 主要从事计算机应用研究 学术研究 精简指令系统的优化技术 张井茹1 2 1 沈阳理工大学 辽宁 沈阳 110168 2 朝阳财经学校 辽宁 朝阳 122000 摘 要 计算机指令系统是计算机发展中一个非常重要的研究课题 是计算机设计中的重要内容之一 指 令系统的发展是伴随计算机硬件和软件的发展而演变的 RISC 精简指令系统 是继 CISC 复杂指令系统 之后产生的指令系统 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 对这些技术进 行分析和研究 对于精简指令系统的进一步发展有着重要意义 在现代高档的计算机设计中也是一个相当重要 的环节 关键词 CISC RISC 时钟周期 优化技术 CPU 中图分类号 TP311 文献标识码 A 文章编号 1008 5688 2007 04 0053 01 0 引言 计算机各种各样的工作都是通过计算机程序来实现的 程序是由一系列有序的指令构成的 指令是执 行某种基本操作 如加 减 移动等 的命令 它由一组二进制代码表示 指示计算机硬件完成指定的基 本操作 指令系统是指一台计算机中所有指令的集合 它是表征一台计算机性能的重要因素 其格式与功能不 仅直接影响到机器的硬件结构 也直接影响到系统软件和机器的适用范围 也就是说指令系统既为软件设 计者提供最低层的程序设计语言 也为硬件设计者提供最基本的设计依据 因此说指令系统是软件和硬件 的主要界面 1 复杂指令系统 复杂指令系统 CISC 是通过连续的增加指令数量来实现机器的向上兼容 这样能够有效地缩短新 指令的微代码设计时间 由于微程序指令的格式与高阶语言相匹配 指令串是按顺序执行的 因而编译器 并不一定要重新编写 复杂指令集的设计和硬件产品的设计更加复杂 完成指令需要不同的时钟周期来完 成 执行较慢的指令时将影响整台机器的执行效率 这样主要靠提高时钟频率和指令执行的并行性来提高 运行速度 复杂指令系统中指令差异性的增大使得设计流水线 CPU 难度增加 硬件变得十分复杂 这一 方面限制了内部高速缓存的扩大 另一方面使得芯片运行频率难以提高 由于频率过高容易导致芯片工作 的不稳定 因此使得这方面的进展受阻 2 精简指令系统 由于以上原因 复杂指令系统在发展过程中造成计算机发展的诸多疑难问题 使计算机技术研制周期 加长 降低了计算机运行速度 软件在设计 调试 维护等方面也遇到了无法克服的困难 通过测试表 明 复杂指令系统中有相当数量的指令其使用频率很低 而常用的指令却是一些简单的基本指令 因此 在20 世纪 80 年代精简指令系统 RISC 产生了 这种指令系统精简了指令 采用统一的指令格式 指 令的种类和寻址方式都比复杂指令系统要少 因而相对于复杂指令系统来说 能够提高处理器的速度 RISC 绝不是简单地返回到过去 而是在硬件高度发展的基础上使指令系统更趋合理 更为有效 它 是 返朴归真 中的再次升华 其基本思想是只留下最常用的仅占 20 的简单指令 优化硬件设计 通 过提高时钟频率来提高运行速度 它尽量使用一个时钟周期来执行一条指令 采用指令流水线结构 不用 或少用微程序控制逻辑 使计算机结构更加简单合理 目的是提高计算机执行速度 下转 100 页 第9卷第4期 2007年12月 辽宁师专学报 Journal of Liaoning Teachers College Vol 9 No 4 Dec 200 7 5 Stephen P Kavanaugh Kevin Rafferty Ground source Heat Pump Design of Geothermal Systems for Conunercial and Institutional Buildings M Atlanta Ca ASHRAE 1997 12 17 责任编辑 胡 坤 邵艳艳 上接 53 页 3 精简指令系统的优化技术 CPU 中央处理器 在执行运算时影响其速度的原因有三个 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 执行和运算的速度 RISC 充分考虑以上因素 使用以下 优化技术 3 1 减少指令执行周期数 对复杂指令系统中大量机器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 同时多使用单机周期指令 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 3 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 其它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 也简少了寻址方式的种类 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进行 能更简单有效地支持应用程 序中频繁的过程调用 减少过程调用中有关现场的大量复杂的辅助操作 很好地实现过程与过程之间的参 数传递 因此提高 CPU 执行速度 3 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 3 4 采用两级高速缓存结构 流水线技术要求输送指令具有连续性 考虑到减少取指令的时间 可以设置较大容量的高速缓存 满 足 CPU 频繁取指的需要 同时可以设置两级 Cache 分别存放指令和数据 CPU 通过两个 Cache 分别访 问指令和数据 减少 CPU 等待时间 使流水线的效率进一步提高 3 5 采用优化程序编译技术 机器中有大量寄存器 为了提高寄存器的使用效率 减少访问存储器的次数 还要考虑优化编译程序 的设计 对寄存器进行合理地分配和使用 另外 还应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 4 结论 指令系统的发展是伴随计算机硬件和软件的发展而发展和演变的 RISC 的设计目标从原来的设法减 少指令的数量和种类 变成设法降低执行每条指令所需的时钟周期数 近几年 Pentium Pro 采用先进 RISC 技术 K6 采用 RISC86 结构 大凡稍高档点的中央处理器都采用 RISC 技术 它是高性能 CPU 的发 展方向 CISC 芯片制造商也在自己的产品中融进了 RISC 处理器的特征 目前 RISC 也正在采用各种优化 技术使处理器的执行和运算速度逐步
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