微型计算机原理：RISC与多发射技术解析

处理机技术的发展是离不开当时的计算机工艺的。在20世纪70年代，由于存储器容量的限制，计算机指令系统要考虑如何充分发挥存储器效率（Memory Efficiency），指令长度最好是可变长度的，以便把存储器的每字节都填满。此外，由于当时CPU已开始采用较快的双极型半导体电路，CPU周期要比存储器周期快很多倍。与此配合，指令是分成多个微指令来实现和执行的。微指令存放在小容量的较快的半导体存储器中，每个CPU周期与一个微指令周期相当，而一个指令周期由几个微指令周期组成，指令周期与主存周期的整数倍相当。所以，当时的指令系统很复杂，一条指令由不同数目的微指令执行完成，各种指令的长度可以从16位变化到456位（如VAX超级小型机）。另外，20世纪70年代已出现软件发展落后于硬件发展的问题，硬件的批量工业生产的趋势已很明显，而软件还是大量的“手工劳动”，造成软件生产的效率低下和软件可靠性差等问题，即所谓“软件危机”。当时有一种比较流行的看法认为解决软件危机的一个办法是使指令的功能接近于一条高级语言，从而提高软件的生产和执行效率。以上种种使20世纪70年代末设计的处理机的指令系统越来越庞大和复杂。

20世纪70年代中期到80年代初，计算机体系结构研究人员开始重视处理机执行效率的研究，也着手研究指令执行的统计分析。其中，所谓“80—20”的研究结果对于后来的微处理机设计技术影响非常深远，即通过大量典型程序的评测分析，在庞大复杂的指令系统中，80%的指令用得很少，只占全部程序执行的20%，而剩下20%的指令却是经常使用的，占全部程序执行的80%。这就给人以启示，是否应该精简指令系统，把这常用的“20%”指令加强，从而提高它们执行的效率。这些研究的意义在于正确引导体系结构研究人员去注意指令执行的性能和效率，而不只限于指令的功能和形式。

20世纪80年代初以后，微电子工艺又取得飞跃发展，CPU芯片上已可做出具有较大数量寄存器的寄存器堆，通过硬连线逻辑完成所有的指令处理也日渐可行。同时，指令系统的研究结果认为所应加强的20%的指令应主要是寄存器-寄存器操作类型的指令，它们可充分利用芯片上（On-Chip）的频宽。而且，性价比较高的VLSI存储器已取代了磁心存储器，过去强调的“存储器效率”已不再重要。因此，在寄存器类型指令的基础上，操作数是在寄存器堆中寻址，地址字段较短，指令的长度可定为和数据长度一致（如32位），而且指令的各个字段统一。指令的统一长度和统一格式，将有利于指令的流水线方式执行，指令一般分成取指译码、取操作数、操作和结果返回四个基本的流水级（或更多的流水级数）。每个时钟周期执行一个流水级，而指令间的流水线执行，只差一个周期。这种面向寄存器的指令系统微处理器设计技术称为精简指令集设计技术RISC（Reduced Instruction Set Com-puting），而过去像VAX等传统的指令系统较复杂的计算机则被称为复杂指令集设计技术CISC（Complex Instruction Set Computing）。与传统的CISC处理机相比，RISC注重简化指令系统的设计，进而将CPI由传统CISC的3～6减小到1.1～1.4，并依赖于指令系统的简化而比CISC更快更容易地提高时钟频率，减小T的值，所付出的代价则是程序的指令数I增长30%～40%。

与CISC微处理器相比，RISC微处理器具有如下特征。

●统一指令编码：指令长度相等，编码形式规整且统一，方便指令的快速解码。

●通用的寄存器：寄存器大部分是互相之间没有功能差别的通用寄存器，以方便编译器优化使用，提高程序执行的效率。

●Load/Store存储器访问：和CISC处理器中几乎所有指令都能够直接访问存储器不同，RISC处理器中只有Load和Store指令会访问存储器，其他指令都不会访问存储器，以方便存储器访问的调度。(www.xing528.com)

●单纯的寻址方式：和CISC处理器相比寻址方式比较单纯，用一段简单指令序列来实现CISC中复杂的寻址方式。

20世纪80年后期，主流处理机的设计开始进一步研究和挖掘指令执行的并行性。比较直观的是使处理机在一个周期内同时发射多条标量指令，称为“超标量结构”。或者把一个指令周期再细分为几个更小的分周期，指令的流水线执行，并不是相邻两条指令挨着一个周期执行，而是挨着一个分周期执行，从而增加指令执行的并发度，这种结构称为“超流水线结构”。第三种类型的处理机把超标量和超流水线结合起来，称为“超标量超流水线结构”。这种趋势说明处理机的设计已从单发射结构转向多发射结构（见图2-23）。

图2-23 多发射结构

多发射结构的出现与研究为处理机性能的进一步提高提供了基础。随着处理机结构的不断演进，RISC和CISC之间的区别也渐渐模糊，处理机结构进入了“后RISC时代”。在后RISC处理机中，大量非RISC的特性被加入到RISC处理机中，处理机设计达到了一个新的平衡。