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精簡指令集計算機

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精簡指令集計算機(RISC:Reduced Instruction Set Computing RISC)是一種執行較少類型計算機指令的微處理器,起源於80年代的MIPS主機(即RISC機),RISC機中採用的微處理器統稱RISC處理器。這樣一來,它能夠以更快的速度執行操作(每秒執行更多百萬條指令,即MIPS)。因為計算機執行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件,計算機指令集越大就會使微處理器更複雜,執行操作也會更慢。紐約約克鎮IBM研究中心的John Cocke證明,計算機中約20%的指令承擔了80%的工作,於1974年,他提出RISC的概念。許多當前的微晶元都使用RISC概念。

精簡指令集計算機:(RISC:Reduced Instruction Set Computing)一種指令長度較短的計算機,其運行速度比CISC要快。
RISC和 CISC是 CPU 從指令集的特點上可以分為兩類 :CISC 和 RISC 。 RISC 是英文 Reduced Instruction Set Computing 的縮寫 , 就是 " 精簡指令運算集 」 , CISC就是 " 複雜指令運算集 " 。
RISC 的指令系統相對簡單,它只要求硬體執行很有限且最常用的那部分指令,大部分複雜的操作則使用成熟的編譯技術,由簡單指令合成。目前在中高檔伺服器中普遍採用這一指令系統的 CPU ,特別是高檔伺服器全都採用 RISC 指令系統的 CPU 。在中高檔伺服器中採用 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 Power PC 、 MIPS 公司的 MIPS 和 SUN 公司的 Spare 。
CPU 執行運算速度受三個因素的影響 (1) 程序中指令數 I , (2) 每條指令執行所用周期數 CPI , (3) 周期時間 T 。這三者又有:程序執行時間 =I * CPI * T ,因此,從這個等式可看出減小其中任一個都可提高 CPU 的速度,因此 RISC 技術就從這三方面下手,對 I 、 CPI 、 T 進行優化改良,其措施如下:
1 、採用多級指令流水線結構
採用流水線技術可使每一時刻都有多條指令重疊執行,以減小 CPI 的值,使 CPU 不浪費空周期。實例: Pentium Ⅱ /Pro/Celeron 可同時發出執行五條指令, AMD - K6/K6 - 2 可同時發出六條指令。
2 、選取機器中使用頻率最高的簡單指令及部分複雜指令
這樣可減小時鐘周期數量,提高 CPU 速度,其實質是減小 CPI 下的值實現。實例:選取運算指令、載入、存儲指令和轉移指令作主指令集。
3 、採用載入 (Load) 、存儲 (Store) 結構
只允許 Load 和 Store 指令執行存儲器操作,其餘指令均對寄存器操作。實例: Amd - K6/K6 - 2 、 P Ⅱ /Celeron/Pro 均支持對寄存器的直接操作和重新命名,並大大增加通用寄存器的數量。
4 、延遲載入指令和轉移指令
由於數據從存儲器到寄存器存在二者速度差、轉移指令要進行入口地址的計算,這使 CPU 執行速度大大受限,因此, RISC 技術為保證流水線高速運行,在它們之間允許加一條不相關的可立即執行的指令,以提高速度。
實例:主要體現於預測執行、非順序執行和數據傳輸等方面,除 Intel P54/55C 不支持,像 K6 - 2 、 P Ⅱ均支持。
5 、採用高速緩存 (cache) 結構
為保證指令不間斷地傳送給 CPU 運算器, CPU 設置了一定大小的 Cache 以擴展存儲器的帶寬,滿足 CPU 頻繁取指需求,一般有兩個獨立 Cache ,分別存放「指令+數據」。
實例: P Ⅱ /Celeron:16K + 16K , AMD - K6/K6 - 2 為 32K + 32K , Cyrix M Ⅱ :64K( 實也為 2 個 32K Cache ,此作共享 Cache) , P Ⅱ還加了 L2 Cache,更是大幅提高了 CPU 速度。

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