13_精简指令集计算机-YINSHU
了解计算机处理器和指令集架构
了解计算机处理器和指令集架构计算机处理器和指令集架构是计算机科学领域中的重要概念，它们直接影响着计算机的性能和功能。
本文将深入探讨计算机处理器和指令集架构的相关知识，以帮助读者更好地了解这一领域。
一、计算机处理器的概念与原理计算机处理器（Central Processing Unit，简称CPU）是计算机的核心组件，负责执行指令、进行数据处理和控制计算机的各项任务。
它由控制单元、算术逻辑单元和寄存器等部件组成。
控制单元负责指令的解码和执行顺序的控制，它通过时钟信号将指令按照一定的次序传送给算术逻辑单元。
算术逻辑单元则执行各种算术和逻辑操作，如加、减、乘、除和与、或、非等运算。
寄存器用于暂时存放数据和指令，提高数据访问速度。
计算机处理器的核心原理是基于冯·诺依曼体系结构，即程序存储器和数据存储器共享同一存储器空间的结构。
处理器从内存中读取指令和数据，并按照指令的要求进行执行和存储。
二、计算机指令集架构的分类与特点1. 精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC）精简指令集是一种设计理念，旨在通过减少指令集的复杂性来提高计算机处理器的性能。
RISC架构的指令集通常具有固定的长度，操作数在寄存器中，指令执行的步骤简单明了，执行速度较快。
2. 复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，简称CISC）复杂指令集是指令集架构中的另一种设计理念，其主要特点是指令集较为庞大复杂，单条指令可以实现多个操作，指令格式灵活多样。
CISC架构的指令集可以直接操作内存中的数据，这使得编程更加简单方便，但相应地，指令执行速度会受到一定程度的影响。
3. 现代指令集架构的趋势现代指令集架构一般采取精简指令集的原理，即RISC架构。
这主要是因为随着技术的进步，处理器的时钟频率不断提高，而指令集的复杂性增加会使得处理器难以高效地执行指令。
计算机语言指令集
计算机语言指令集摘要：1.计算机语言指令集的定义和作用2.计算机语言指令集的发展历程3.计算机语言指令集的分类4.计算机语言指令集的典型代表5.计算机语言指令集的未来发展趋势正文：计算机语言指令集，简称指令集，是计算机语言在底层实现时所依赖的一组基本指令。
指令集定义了计算机能够理解和执行的基本操作，是计算机硬件和软件之间的桥梁。
在计算机发展的初期，指令集主要是硬件厂商为了满足特定计算机体系结构的需求而设计的。
随着计算机技术的进步，指令集逐渐发展成为具有通用性的标准，可以应用于各种不同的计算机体系结构。
从20 世纪50 年代计算机语言指令集诞生至今，已经经历了几代的发展。
最早的计算机语言指令集是基于机器码的，也就是直接操作计算机硬件的二进制指令。
随着高级编程语言的出现，指令集逐渐演变为面向程序员的抽象层次。
在这个过程中，指令集的效率和易用性得到了很大的提升。
目前，指令集已经发展成为具有丰富功能和高度优化的复杂系统，支持多种编程语言和应用场景。
计算机语言指令集主要分为两大类：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
复杂指令集具有丰富的指令系统，能够高效地执行各种复杂的操作。
但由于指令的复杂性，硬件实现较为困难，且性能开销较大。
与之相反，精简指令集只包含基本指令，通过指令的流水线和并行处理来提高性能。
虽然精简指令集在某些方面具有优势，但由于其指令系统的限制，可能无法满足一些高级应用的需求。
计算机语言指令集中有很多典型的代表，如英特尔的x86 指令集、ARM 的ARM 指令集和MIPS 的MIPS 指令集等。
这些指令集都具有自己的特点和优势，在不同的应用领域有着广泛的应用。
随着计算机技术的不断发展，计算机语言指令集也在不断演进。
未来的指令集可能会更加关注能效比、安全性和虚拟化等方面的需求。
此外，随着人工智能、大数据和云计算等新技术的兴起，计算机语言指令集可能还需要适应新的应用场景和计算模式。
精简指令集和复杂指令集的区别
精简指令集和复杂指令集的区别RISC(精简指令集计算机)和CISC(复杂指令集计算机)是当前CPU的两种。
它们的区别在于不同的CPU设计理念和⽅法。
CPU架构是⼚商给属于同⼀系列的CPU产品定的⼀个规范，主要⽬的是为了区分不同类型CPU的重要标⽰早期的CPU全部是CISC架构，它的设计⽬的是要⽤最少的机器语⾔指令来完成所需的计算任务。
⽐如对于乘法运算，在CISC架构的CPU 上，您可能需要这样⼀条指令：MUL ADDRA, ADDRB就可以将ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。
将ADDRA, ADDRB中的数据读⼊寄存器，相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。
这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU⼯艺的要求，但对于编译器的开发⼗分有利。
⽐如上⾯的例⼦，C程序中的a*=b就可以直接编译为⼀条乘法指令。
今天只有Intel及其兼容CPU还在使⽤CISC架构。
RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。
上⾯的例⼦如果要在RISC架构上实现，将ADDRA, ADDRB中的数据读⼊寄存器，相乘和将结果写回内存的操作都必须由软件来实现，⽐如：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。
这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的⼯艺⽔平下⽣产出功能更强⼤的CPU，但对于编译器的设计有更⾼的要求。
复杂指令集计算机(CISC) 长期来，计算机性能的提⾼往往是通过增加硬件的复杂性来获得．随着集成电路技术．特别是VLSI（超⼤规模集成电路）技术的迅速发展，为了软件编程⽅便和提⾼程序的运⾏速度，硬件⼯程师采⽤的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址⽅式．甚⾄某些指令可⽀持⾼级语⾔语句归类后的复杂操作．⾄使硬件越来越复杂，造价也相应提⾼．为实现复杂操作，微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外．还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能，傲处理在分析每⼀条指令之后执⾏⼀系列初级指令运算来完成所需的功能，这种设计的型式被称为复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer-CISC)结构．⼀般CISC计算机所含的指令数⽬⾄少300条以上，有的甚⾄超过500条．精简指令集计算机(RISC) 采⽤复杂指令系统的计算机有着较强的处理⾼级语⾔的能⼒．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(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构．简称RISC．CISC与RISC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。
精简指令集计算机及其特点
精简指令集计算机及其特点精简指令集计算机是一种采用简化指令集的计算机体系结构。
与传统的复杂指令集计算机（CISC）相比，精简指令集计算机（RISC）采用更少、更简单的指令集，并且每个指令只执行基本操作。
以下将详细介绍精简指令集计算机的特点及其在计算机领域的应用。
一、精简指令集计算机的特点：1. 简化的指令集：精简指令集计算机的指令集较简单，每个指令只执行基本操作，如加法、减法、移位等。
这样可以减少指令的复杂性，提高指令的执行效率。
2. 定长指令格式：精简指令集计算机采用定长指令格式，每个指令占据相同的位数，这样可以简化指令的解码过程，提高指令的执行速度。
3. 硬件优化：精简指令集计算机在硬件设计上进行了优化，采用精简的指令集可以减少硬件的复杂性，降低成本，并提高计算机的性能。
4. 高性能：由于精简指令集计算机采用了简化的指令集和硬件优化，它具有较高的执行速度和较低的延迟，可以提供更高的计算性能。
5. 低功耗：由于精简指令集计算机的指令较简单，执行速度较快，因此可以在相同的计算任务下，以较低的时钟频率工作，从而降低功耗。
6. 易于编程：精简指令集计算机具有较简单的指令集，编程较为简单，易于学习和使用。
同时，由于指令集较少，编译器可以对代码进行更高效的优化，提高程序的执行效率。
7. 高可靠性：精简指令集计算机采用简化的指令集和硬件优化，减少了电路的复杂性和故障率，提高了计算机的可靠性。
二、精简指令集计算机的应用：1. 嵌入式系统：精简指令集计算机广泛应用于嵌入式系统，如智能手机、平板电脑、车载导航系统等。
由于嵌入式系统对功耗和性能要求较高，精简指令集计算机能够满足这些需求。
2. 移动设备：精简指令集计算机也被广泛应用于移动设备，如智能手表、智能眼镜等。
由于移动设备对功耗和性能要求较高，精简指令集计算机能够提供较低的功耗和较高的性能。
3. 服务器领域：在服务器领域，精简指令集计算机可以提供高性能和低功耗的解决方案。
计算机系统结构--《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构: 按照计算机语言从低级到高级的次序, 把计算机系统按功能划分成多级层次结构, 每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为: 微程序机器级, 传统机器语言机器级, 汇编语言机器级, 高级语言机器级, 应用语言机器级等。
虚拟机: 用软件实现的机器。
翻译: 先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序, 然后再在这低一级机器上运行, 实现程序的功能。
解释: 对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令, 都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后, 再去高一级机器取下一条语句或指令, 再进行解释执行, 如此反复, 直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构: 传统机器程序员所看到的计算机属性, 即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中, 把这种本来存在的事物或属性, 但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成: 计算机系统结构的逻辑实现, 包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现: 计算机组成的物理实现, 包括处理机、主存等部件的物理结构, 器件的集成度和速度, 模块、插件、底板的划分与连接, 信号传输, 电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比: 对系统中某部分进行改进时, 改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律: 当对一个系统中的某个部件进行改进后, 所能获得的整个系统性能的提高, 受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理: 程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的, 而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI: 每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件: 由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序, 用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机: 冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中, 机器一旦启动, 就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序, 自动完成由程序所描述的处理工作。
计算机体系结构与指令集
计算机体系结构与指令集计算机体系结构与指令集是计算机科学领域中的重要概念，涉及到计算机硬件和软件的基本组成部分以及它们之间的工作原理和相互作用。
在本文中，我将解释计算机体系结构和指令集的定义、作用、分类以及它们对计算机性能和功能的影响。
一、计算机体系结构的定义和作用计算机体系结构是指计算机系统中硬件和软件之间的接口规范和相互作用方式。
它定义了计算机内部各个组件的结构、功能和连接方式，以及它们与外部环境的交互方式。
计算机体系结构主要包括处理器、内存、输入输出设备和总线等组件。
计算机体系结构的作用包括：1. 提供指令集架构：计算机体系结构规定了程序员可以使用的指令集，也就是计算机能够理解和执行的指令集合。
它定义了指令的格式、功能和操作方式，为软件开发提供了统一的编程接口和规范。
2. 决定计算机性能：计算机体系结构的设计直接影响计算机的性能。
合理的体系结构设计可以提高计算机的计算速度、存储容量和吞吐量等性能指标，同时降低能耗和成本。
3. 支持系统扩展和兼容性：计算机体系结构应具备良好的可扩展性和兼容性，以便于系统的升级和拓展。
它需要支持不断增加的硬件设备和软件功能，同时保持与历史系统和应用的兼容性。
二、指令集的定义和分类指令集是计算机体系结构中的重要组成部分，它定义了计算机能够执行的指令集合和相应的操作方式。
指令集一般包括数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制指令等。
根据指令和操作数的组织方式，指令集可以分为以下两类：1. 精简指令集（RISC）：精简指令集是指指令集中的指令和操作数组织方式相对简单，指令的字长一般固定。
它具有指令执行速度快、编译器优化简单等特点，被广泛应用于嵌入式系统和移动设备等领域。
2. 复杂指令集（CISC）：复杂指令集是指指令集中的指令和操作数组织方式相对复杂，指令的字长可以变化。
它具有指令的功能丰富、编程灵活等特点，被广泛应用于个人计算机和服务器等领域。
除了RISC和CISC之外，还有一些其他指令集的分类方式，例如向量指令集、多媒体指令集、超标量指令集等，它们分别针对特定的应用领域和计算需求进行优化和设计。
复杂指令集和精简指令集
复杂指令集和精简指令集指令集是计算机体系结构的重要组成部分，它是计算机执行程序的指令集合，包括操作码和操作数等元素。
指令集的设计和选择对计算机的性能、成本和可移植性等方面有很大的影响。
主要有两种指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Architecture，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Architecture，RISC）。
下面我们将详细介绍这两种架构的特点以及各自的优缺点。
一、复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机体系结构最早出现在20世纪70年代，其最初的设想是将多条简单的指令合并成一条复杂的指令，以提高指令集的设计效率和程序的执行速度。
复杂指令集计算机单条指令可以针对一个任务执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、存储等操作。
它具有以下特点：1. 指令集较为复杂：CISC体系结构中的指令集合较为庞大，涵盖了多种算术运算、逻辑运算、访问存储器等操作，每条指令执行的操作数目较多。
2. 可以降低程序员的工作量：它具有很强的程序兼容性，程序员可以使用语义丰富、操作多样的指令来编写程序，编程较为简便。
3. 数据传输能力较强：CISC指令集支持多种地址寻址方式，可以通过一条指令传输大块数据，节省了时间和空间。
4. 代码密度较高：CISC指令具有较长的字长和高代码密度，可以使程序占用的内存较小。
5. 对内存的使用相对较少：由于CISC指令集中包含了很多常用的命令，所以相对于RISC指令集，CISC指令可以使程序的执行速度更快，CPU可以少使用内存。
不过随着时间的推移，CISC体系结构逐渐暴露出了一些问题。
CISC指令集架构虽然功能强大，但每条指令的执行时间较长，开销很高，导致处理器需要消耗更多的内存和时间来执行指令。
精简指令集计算机体系结构是20世纪80年代提出的一种新型的计算机架构，它的设计思想是通过增加寄存器数量和减少指令集的复杂程度，减少单条指令的执行时间，从而提高处理器的性能和效率。
13 Reduced Instruction Set Computers13精简指令集计算机-精品文档42页
Pascal Βιβλιοθήκη 6% 58% 26%CAverage
23%
20%
53%
55%
24%
25%
Procedure Calls
• Very time consuming • Depends on number of parameters passed • Depends on level of nesting • Most programs do not do a lot of calls
set of registers
Register Windows cont. • Three areas within a register set
—Parameter registers (Passed Parameters) —Local registers —Temporary registers (Passing Parameters)
—Large number of registers
– Operand referencing
—Careful design of pipelines
– Branch prediction etc.
—Simplified (reduced) instruction set
Register File
• If all windows are in use, an interrupt is generated and the oldest window (the one furthest back in the call nesting) is saved to memory
• A saved window pointer indicates where the next saved windows should restore to
精简指令集
RISC的英文全称是Reduced Instruction Set Computer，中文是精简指令集计算机。
特点是所有指令的格式都是一致的，所有指令的指令周期也是相同的，并且采用流水线技术。
在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有Compaq（康柏，即新惠普）公司的Alpha、HP 公司的PA-RISC、IBM公司的PowerPC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Spare。
在分子生物学中RISC是RNA诱导沉默复合物。
RNA诱导沉默复合物（RNA-induced silencing complex,RISC），是RNA干扰技术中起作用的重要物质。
一定数量的外源性双链RNA（dsRNA）进入细胞后，被类似于核糖核酸酶Ⅲ的Dicer酶切割成短的21~23bp的双链小干扰RNA（si RNA），si RNA与解旋酶和其它因子结合，形成RNA诱导沉默复合物（RISC）。
激活RISC 需要一个依赖ATP的将小分子RNA解双链的过程。
激活的RISC通过碱基配对定位到同源mRNA 转录本上，并在距离siRNA 3'端12个碱基的位置切割mRNA。
切割的机制尚不明了，但每个RISC都包含一个siRNA和一个不同于Dicer的RNA酶。
因此，siRNA能够以序列同源互补的mRNA为靶点，通过促使特定基因的mRNA降解来高效、特意地阻断体内特定基因表达，诱发细胞呈现出特定基因表达降低表型。
中文名RNA诱导沉默复合物外文名RNA-induced silencing complex,RISC目录1简介2发展背景▪发展分歧▪提出原由3优势4特征5结构特点6发展前景1简介编辑精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式，也被称为RISC(Reduced Instruction Set Computer的缩写)。
[1]这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。
精简指令集计算机(DOC)
CHAPTER 12 REUCED INSTRUCTION SET COMPUTERS(第12章精简指令集计算机)●对设计RISC计算机，高级语言程序行为的研究成果是有指导意义。
程序中赋值语句占有最大份额，这暗示着简单的数据传送应当优化。
程序中还有许多IF和LOOP语句，基础的顺序控制机制需要进行优化，以准许有效地使用流水技术。
操作数引用样式的研究表明，在寄存器中保持适当数量的操作数会有助于性能的提高。
●RISC机器的关键特征：①有限的指令集并具有固定格式，②大量的寄存器或利用编译器来优化寄存器的作用，③强调对指令流水线的优化（optimizing）。
●RISC的简单指令集自身便利于有效的流水化；RISC指令集自身也有助于实施延迟转移技术（the delayed branch technique）：将转移指令和其他指令重排能提高流水线效率。
下面给出了自计算机诞生以来某些最主要的进步。
●Family Concept：以不同的价格/性能特征提供的一级计算机，性能和价格方面的差异在于同样结构的不同实现。
●Microprogrammed Control Unit：微编程使控制器的设计和实现变得更容易，并提供了对系列概念的支持。
●Cache Memory：极大地改善了系统性能。
●Pipelining：将并行性引入机器指令程序顺序本性的一种方式。
●Multiple Processors：包含几种不同的组织和目标●RISC：最重要的变革，在语言和行为方面对大多数计算机结构的学识是一个挑战RISC系统的关键点是：①有限的和简单的指令集并具有固定格式，②大量的寄存器或利用编译器来优化寄存器的作用，③强调指令流水线的优化（optimizing）CP332+EP458表12.1比较了几个RISC和非RISC系统12.1INSTRUCTION EXECUTION CHARACTERISTICS 指令执行特征计算机发展最易见的形式是编程语言；随着硬件成本的下降，软件成本相对上升；通用性的扩展和编程人员的长期缺乏驱使软件成本在绝对意义上上升；软件运行多年后虽经不断修正仍继续出现新的缺欠。
CPU指令集介绍
ＣＰＵ指令集CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。
指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。
从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分，而从具体运用看，如Intel的MMX（Multi Media Extended）、SSE、 SSE2（Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2）和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。
我们通常会把CPU的扩展指令集称为"CPU的指令集"。
1、精简指令集的运用在最初发明计算机的数十年里，随着计算机功能日趋增大，性能日趋变强，内部元器件也越来越多，指令集日趋复杂，过于冗杂的指令严重的影响了计算机的工作效率。
后来经过研究发现，在计算机中，80％程序只用到了20％的指令集，基于这一发现，RISC精简指令集被提了出来，这是计算机系统架构的一次深刻革命。
RISC体系结构的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。
RISC指令集有许多特征，其中最重要的有：∙指令种类少，指令格式规范：RISC指令集通常只使用一种或少数几种格式。
指令长度单一（一般4个字节），并且在字边界上对齐，字段位置、特别是操作码的位置是固定的。
∙寻址方式简化：几乎所有指令都使用寄存器寻址方式，寻址方式总数一般不超过5个。
其他更为复杂的寻址方式，如间接寻址等则由软件利用简单的寻址方式来合成。
∙大量利用寄存器间操作：RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器操作，只以简单的Load和Store操作访问内存。
CPU架构之精简指令集与复杂指令集
CPU架构之精简指令集与复杂指令集1、精简指令集这种 CPU 的设计中,微指令集较为精简,每个指令的运⾏时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的执⾏效能较佳; 但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。
常见的 RISC 微指令集 CPU 主要例如甲⾻⽂ (Oracle) 公司的 SPARC 系列、 IBM 公司的 Power Architecture (包括 PowerPC) 系列、与安谋公司 (ARM Holdings) 的 ARM CPU 系列等。
在应⽤⽅⾯,SPARC CPU 的计算机常⽤于学术领域的⼤型⼯作站中,包括银⾏⾦融体系的主服务器也都有这类的计算机架构; ⾄于 PowerPC 架构的应⽤上,例如新⼒(Sony)公司出产的 Play Station3(PS3)就是使⽤ PowerPC 架构的 Cell 处理器; 那安谋的 ARM 呢?你常使⽤的各⼚牌⼿机、PDA、导航系统、⽹络设备(交换器、路由器等)等,⼏乎都是使⽤ ARM 架构的 CPU 喔! ⽼实说,⽬前世界上使⽤范围最⼴的 CPU 可能就是 ARM 这种架构的呢!2、复杂指令集与 RISC 不同的,CISC 在微指令集的每个⼩指令可以执⾏⼀些较低阶的硬件操作,指令数⽬多⽽且复杂, 每条指令的长度并不相同。
因为指令执⾏较为复杂所以每条指令花费的时间较长, 但每条个别指令可以处理的⼯作较为丰富。
常见的 CISC 微指令集 CPU 主要有 AMD、Intel、VIA 等的 x86 架构的 CPU。
由于 AMD、 Intel、 VIA 所开发出来的 x86 架构 CPU 被⼤量使⽤于个⼈计算机(Personal computer)⽤途上⾯, 因此,个⼈计算机常被称为 x86 架构的计算机!那为何称为 x86 架构呢? 这是因为最早的那颗 Intel 发展出来的 CPU 代号称为 8086,后来依此架构⼜开发出 80286, 80386..., 因此这种架构的 CPU 就被称为 x86 架构了。
精简指令集计算机
优点
RISC在保持成本降低的同时能很好地提高速度。 适用VLSI(VERYLARGESCALEINTEGRATION)工艺。 由于RISC指令集清简，使之只需相对小而简单控制单元的译码和硬件执行子系统。这导致在用VLSI实现计算 机系统时的下列结果： 速度高。
缺点
RISC有其自身的缺点。
编译后指令长度较长，内存需要较大
RISC是相对于复杂指令集计算机（CISC）而言的。所谓复杂指令集计算机是依靠增加机器的算机结构的发展一直是被复杂性越来越高的处理机垄断着，为了减少计算机操 作与高级语言的差别，为了改善机器的运行特性，机器指令越来越多，指令系统也越来越复杂。特别是早期的较 高速度的CPU和较慢速度的存储器间的矛盾，为了尽量减少存取数据的次数，提高机器的速度，大大发展了复杂 指令集，但随着半导体工艺技术的发展，存储器的速度不断提高，特别是高速缓冲的使用，使计算机体系结构发 生了根本性的变化，硬件工艺技术提高的同时，软件方面也发生了同等重要的进展，出现了优化编译程序，使程 序的执行时间尽可能减少。
RISC的特点
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：
RISC的缺点与其一些优点直接有关。因为RISC拥有的指令数少，有些在CISC中仅由一条指令完成的功能，在 RISC中需二、三条甚至更多条指令，这使RISC代码较长，因而RISC的程序需要更多的内存，内存与CPU间的指令 冲突也会增加。研究表明，平均而言，执行同样的功能，一个RISC程序比一个CISC程序长30%。同时，RISC对编 译器要求较高，优化编译器的设计是一项极复要且技术要求很高的工作，它又必须由RISC机制造单位自身编制， 因为没有RISC详细原始资料不可能产生编译程序的目标代码。这样，第三方公司提供新版本较困难，用户选择余 地较小，软件费用增加了。
计算机语言指令集
计算机语言指令集计算机语言指令集是计算机体系结构中一个重要的概念。
它是指计算机所支持的机器码指令的集合，用于执行各种操作和计算任务。
计算机语言指令集的设计和实现对于计算机硬件和软件的性能和功能起着至关重要的作用。
计算机语言指令集可以分为不同的层次和类型。
最底层的是机器码指令集，它是二进制形式的指令，直接由计算机硬件执行。
机器码指令集通常由一系列固定长度的二进制数表示，每个数值都对应计算机中的一个特定操作或指令。
高级的计算机语言，如C、Java和Python，是为程序员设计的更易于使用和理解的抽象层级。
这些语言提供了更高级的语法和功能，允许程序员以更自然的方式编写代码，并由编译器或解释器将其转换为机器码指令集。
每种计算机体系结构都有自己的指令集架构（ISA）。
常见的指令集架构包括复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
CISC是一种早期的指令集架构，它使用复杂的指令，其中包含多个操作，如加载、存储、运算和逻辑操作。
这些指令可以执行复杂的任务，但其设计和实现相对复杂，并且往往需要更多的硬件资源。
RISC是一种更现代化的指令集架构，它使用精简的指令，每个指令只执行一个最基本的操作。
RISC指令集架构通过精简指令和对硬件设计的优化，实现了更高的执行效率和更简单的设计。
此外，RISC还具有更好的编译器支持，可以更好地针对指令进行优化，提高程序的性能。
除了CISC和RISC之外，还有一些其他的指令集架构，如超大规模集成电路（VLIW）和可配置计算（CC）。
VLIW使用长期指令字的并行处理，将多个指令打包在一起，以提高处理器的并行度和性能。
CC 指令集架构可以根据应用程序的需求进行灵活的修改和定制。
计算机语言指令集的设计和实现需要考虑多个因素。
首先是指令的功能和操作的灵活性，以满足各种计算任务的需求。
其次是指令的简洁性和易于理解性，以便于程序员编写和调试代码。
此外，指令的执行效率和硬件资源的利用也是指令集设计的重要考虑因素。
精简指令计算机
精简指令系统计算机摘要：计算机指令系统是计算机发展中的一个重要过程，本文论述了精简指令系统的特性和精简指令系统的优化，指令系统的发展是伴随着计算机硬件和软件的发展而演变的，精简指令系统是继发杂指令系统之后而产生的指令系统，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，这些优化技术对于现代计算机的设计也是一个相当重要的环节。
关键词：精简指令系统，计算机一：什么是精简指令系统计算机各种指令的集合称为指令系统，或指令集。
60年代后期开始出现精简指令系统计算机。
精简指令系统，顾名思义，它是一个精简的指令系统。
是为了提高了微理器的效率，但需要更复杂的外部程序。
精简指令系统(RISC)只保留功能简单的指令，功能较复杂的指令用自称学来实现，一条指令由操作码和操作数地址两部分组成。
这里的计算机指令系统指的是计算机最底层的机器指令，也是CPU能够直接是别的指令。
随着计算机系统的复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。
最初，人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机。
另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、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，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机。
其风格是强调计算机结构的简单性和高效性。
RISC设计是从足够的不可缺少的指令集开始的。
它的速度比那些具有传统复杂指令组计算机结构的机器快得多，而且RISC机由于其较简洁的设计，较易使用，故具有更短的研制开发周期。
RISC结构一般具有如下的一些特点：单周期的执行，采用高效的流水线操作，无微代码的硬连线控制，指令格式的规格化和简单化，采用面向寄存器堆的指令，采用装入／存储指令结构。
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重叠寄存器窗口 (Overlapping Register Windows)
重叠窗口的环形缓冲组织 (Circular Buffer diagram)
环形缓冲器的操作 (Operation of Circular Buffer) • 当一个调用指令发出，当前窗口指针将移动至显 示当前活动的寄存器窗口 • 如果所有窗口都在使用中，则生成一个中断指令 ，同时最早的窗口将保存至存储器 • 一个保存的窗口指针将指示保存下一个窗口的地 址
—更大的指令集 —更多的寻址方式 —硬件实现各种高级语言语句
–例如：VAX机上的CASE机器指令
CISC 的意图
• 降低编译器编写的难度 • 提高指令执行的效率
—复杂操作能以微代码实现 (microcode)
• 支持更复杂的HLL
指令的执行特征
• • • • • 执行的操作 (Operations performed) 所用的操作数 (Operands used) 执行顺序 (Execution sequencing) 很多研究用程序以HLL撰写 在程序执行过程中还进行了动态研究的测试
• 精简指令集计算机 (Reduced Instruction Set Computer) • 关键特征
—大量通用寄存器 —使用编译器技术用以优化寄存器的使用 —有限的和简单的指令集 —强调指令流水的优化
处理器的比较
CISC 的推动力
• 软件成本远超过硬件成本 • 高级语言 (High Level Language, HLL)的复杂度 日益增加 • 语义鸿沟 (Semantic gap) • 以上问题产生了以下诉求:
• 微程序式控制器 (Microporgrammed control unit)
—最早由Wilkes于1951年提出 —由IBM于1964年引入其 S/360生产线
• 高速缓存存储器 (Cache memory)
—最早由IBM于1969年在S/360 模式85 上实现商用
计算机的几个主要进展阶段(2)
Recently-used local scalars
Individual variables
Blocks of memory
Compiler-assigned global variables
Recently-used global variables
Save/Restore based on procedure nesting depth
Save/Restore based on cache replacement algorithm
Register addressing
Memory addressing
访问基于窗口寄存器组中的一个局部标量
寄存器窗口 (Register Windows)
• • • • • 只有少数传送参数和局部变量 过程动作的深度仅限定在一个相对窄的范围内 使用多个小的寄存器组 过程调用是自动切换使用不同的寄存器窗口 过程返回将切换只上一次使用的寄存器组
寄存器窗口 (续)
• 一个寄存器窗口的三个固定长度域
—参数寄存器域 —局部寄存器域 —临时寄存器域 —某一级临时寄存器与与下一级参数寄存器域是物理同 一的 —这种物理重叠允许免实际移动数据而传递参数
• 固态RAM (Solid State RAM)
—(参见存储器笔记)
• 微处理器 (Microprocessors)
—Intel 4004 1971
• 流水 (Pipelining)
—将并行化引入机器取指令和指令执行周期
• 多处理器 (Multiple processors)
下一个阶段- RISC
推论 (Implications)
• 对HLL最好的支持是通过优化典型HLL程序中最耗 时操作的性能 • 使用大量寄存器
—可以优化操作数的访问
• 精心谨慎地设计指令流水线
—例如：条件分支的预测等
• 减少指令集
大寄存器组方案的使用 (Large Register File)
• 基于软件
—依赖编译器来是寄存器使用最大化 —寄存器的分配由给定时间内使用最多的变量决定 —要求使用复杂的程序分析算法
操作数 (Operands)
• 主要是局部变量 • 优化的主选方向是对局部标量变量的存储和访问
过程调用 (Procedure Calls)
• • • • 非常耗时 取决于过程中用的参数和变量的数量 同时取决于嵌套的深度 大部分程序不会在大量调用后进行一系列相应的 大量返回 • 大多数变量是局部变量 • (参见访问局部性)
全局变量 (Global Variables)
• 由编译器为HLL中声明的全局变量指派存储器位 置
—对于频繁访问的全局变量来说，该策略效率较低
• 拥有一组全局寄存器
大寄存器组与告诉缓存的对比 (Registers vs Cache)
Large Register File Cache
All local scalars
操作 (Operations)
• 赋值语句 (Assignments)
—数据传送
• 条件语句 (Conditional statements (IF, LOOP))
—控制指令集的顺序
• 调用-返回 (call-return)过程非常耗时 • 少量HLL指令会导致很多机器代码的操作
HLL操作的加权相对动态频度[PATT82a]
William Stallings Computer Organization and Architecture 8th Edition 第13章 精简指令集计算机
计算机的几个主要进展阶段(1)
• 系Байду номын сангаас概念 (The family concept)
—IBM System/360 1964 —DEC PDP-8 —系列的概念将机器的结构与它的具体实现分离开
• 基于硬件
—简单地装备更多寄存器 —因此，更多变量能更长时间地保存在寄存器中
局部变量的寄存器 (Registers for Local Variables) • • • • • • 将局部变量保存在寄存器中 降低主存的访问频率 每一个进程(功能)调用只改变局部变量 参数必须被传递 结果必须被返回 程序调用的变量必须被保存