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精简指令集的发展背景

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-06-12

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  在早期的计算机业中,编译器技术尚未出现。程序是以机器语言或汇编语言完成的。为了便于编写程序,计算机架构师造出越来越复杂的指令,可以高阶程序语言直接陈述高阶功能。当时的看法是硬件比编译器更易设计,所以复杂的东西就加进硬件了。

  加速复杂化的其它因素是缺乏大内存。内存小的环境中,具有极高讯息密度的程序较有利。当内存中的每一字节如此珍贵,例如储存某个完整系统只需几千字节,它使产业移向高度编码的指令、长度不等的指令、执行多个操作的指令,和执行数据传输与计算的指令。当时指令封包问题远比易解的指令重要。

  那时使用磁性技术,内存不仅小,而且很慢。这是维持极高讯息密度的其它原因。借着具有极高讯息密度封包,当必须存取慢速资源时可以降低频率。

  CPU内部缓存器远贵于外部内存。以当时的集成电路技术水准,大缓存器集对芯片或电路板区域只是多余的浪费。

  具有大数量的缓存器将需要大数量的指令位(使用珍贵的RAM)以做为缓存器指定器。

  基于上述原因,CPU设计师试着令指令尽可能做更多的工作。这导致一个指令将做全部的工作︰读入两个数字,相加,并且直接在内存储存计算结果。其它版本将从内存读取两个数字,但计算结果储存在缓存器。另一个版本将从内存和缓存器各读一个数字,并再次存入内存。以此类推。这种处理器设计原理最终成为复杂指令集(CISC)。

  当时的目标是给所有的指令提供所有的寻址模式,此称为「正交性」。这在 CPU 上导致了一些复杂性,但就理论上每个可能的命令都可以单独的调试(调用,be tuned),这样使得程序员能够比用简单的命令来得更快速。

  这类的设计最终可以由光谱的两端来表达, 6502 在光谱的一端,而 VAX 在光谱的另一端。单价25美元的 1MHz 6502 芯片只有单一的通用缓存器, 但它的极精简的单周期内存界面(single-cycle memory interface)让一个位的操作效能和更高频率设计几乎相同,例如 4MHz Zilog Z80 在使用相同慢速的记忆芯片下(大约近似 300ns)。 IBM公司设在纽约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州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高级语言的直接翻版,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高级语言.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(ReducedInstructionSetComputer-RISC)结构.简称RISC.

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