教材參考計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)——性能設(shè)計(jì)（第九版）第14章

這一章我們來(lái)講一講一種很著名的計(jì)算機(jī)架構(gòu)——RISC（另一種與其相對(duì)的叫CISC）。那么問(wèn)題來(lái)了，什么是RISC？

RISC是Reduced Instruction Set Computer，即精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)稱。而與其相對(duì)的則是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，這里我們不作討論。

RISC之所以叫精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，就是因?yàn)槠渲噶畹臄?shù)目相對(duì)較少，我們先來(lái)看看它有哪些特征：

• 數(shù)量眾多的通用寄存器，可能有數(shù)十個(gè)至上百個(gè)，使用特殊的編譯技術(shù)來(lái)優(yōu)化寄存器的使用。

• 指令數(shù)量少（從名字也可以看出來(lái)吧），格式固定，長(zhǎng)度也是固定的。

• 專注于優(yōu)化指令流水線。

RISC和CISC的對(duì)比圖如下：

13.1 指令執(zhí)行特點(diǎn)

在講RISC的具體特點(diǎn)之前，我們來(lái)看一看為什么會(huì)出現(xiàn)RISC。

其實(shí)，在RISC出現(xiàn)之前，設(shè)計(jì)者們偏向于CISC，隨著硬件工藝的逐漸成熟，硬件的價(jià)格逐漸下降，相對(duì)而言提高的則是軟件的價(jià)格，同時(shí)，高級(jí)語(yǔ)言（High Level Language）也在不斷發(fā)展，不斷變得復(fù)雜。

那么人們就想著，不如讓指令集變得更加多、更加復(fù)雜，用更加復(fù)雜的硬件實(shí)現(xiàn)來(lái)滿足高級(jí)語(yǔ)言的需要。于是，CISC就旨在簡(jiǎn)化編譯器的實(shí)現(xiàn)，用更加復(fù)雜的指令集來(lái)支持高級(jí)語(yǔ)言。

但是，之后的人做了一些實(shí)驗(yàn)，讓高級(jí)語(yǔ)言的程序跑起來(lái)，觀察高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句在程序中執(zhí)行的次數(shù)，并乘以對(duì)應(yīng)的機(jī)器指令的條數(shù)，得到了如下的結(jié)果：

可以看到出現(xiàn)次數(shù)最多的是賦值，即變量的分配問(wèn)題，而最耗時(shí)的是過(guò)程調(diào)用，同時(shí)也要注意分支和循環(huán)?？偨Y(jié)而言，最應(yīng)該受到關(guān)注的是關(guān)于操作、操作數(shù)和過(guò)程調(diào)用的問(wèn)題。

對(duì)于操作數(shù)而言，研究發(fā)現(xiàn)，多數(shù)的變量引用是對(duì)局部的標(biāo)量；而關(guān)于過(guò)程調(diào)用的研究中發(fā)現(xiàn)，過(guò)程調(diào)用需要的參數(shù)并不多，98%的過(guò)程調(diào)用都只需要6個(gè)以內(nèi)的參數(shù)，而且過(guò)程調(diào)用的深度并不深。

這些有關(guān)的研究便給了設(shè)計(jì)者一些啟發(fā)：

• 由于操作數(shù)大多都是局部變量，于是考慮用更多的寄存器。

• 由于分支、循環(huán)、過(guò)程調(diào)用較多，要更加小心地設(shè)計(jì)流水線。

于是便產(chǎn)生了RISC這一架構(gòu)。

13.2 大寄存器組

為什么要用寄存器組呢，這是因?yàn)榧拇嫫魇亲羁斓囊环N內(nèi)部存儲(chǔ)，比cache和內(nèi)存都要快，而且由于寄存器組中的寄存器數(shù)量不多，因此尋址非常快。

但是由于存儲(chǔ)空間不大，那么就要用一些策略來(lái)決定哪些最常用的操作數(shù)放在寄存器中了。有硬件和軟件兩種方案來(lái)解決存儲(chǔ)空間不足的問(wèn)題。

• 軟件的解決方式：讓編譯器進(jìn)行分配，需要更加精密地分析程序

• 硬件的解決方式：當(dāng)然就是多搞幾個(gè)寄存器，當(dāng)然，我們下面介紹另一種策略——寄存器窗口。

什么是寄存器窗口？

寄存器窗口可以理解為由數(shù)量有限的幾個(gè)寄存器組成的一個(gè)小寄存器組。一個(gè)寄存器窗口由3個(gè)部分組成：

• 參數(shù)寄存器

• 局部變量寄存器

• 臨時(shí)寄存器

對(duì)于過(guò)程調(diào)用而言，寄存器組總是從一個(gè)局部移動(dòng)到另一個(gè)局部，比如A調(diào)用了B，那么A的局部變量要被保存起來(lái)，然后寄存器給B的局部變量使用。

參數(shù)的傳遞是靠重疊的部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的，前一個(gè)的寄存器窗口的臨時(shí)寄存器和下一個(gè)寄存器窗口的參數(shù)寄存器是重疊的，這樣就可以不進(jìn)行數(shù)據(jù)的移動(dòng)而進(jìn)行參數(shù)的傳遞。

這樣，過(guò)程調(diào)用就可以被看作是從一個(gè)窗口移動(dòng)到下一個(gè)窗口，而返回就是相反的過(guò)程。當(dāng)然了，一般寄存器窗口不會(huì)做成上面那種樣子，而是圓環(huán)的形式。

當(dāng)過(guò)程調(diào)用發(fā)生，當(dāng)前窗口指針CWP（Current Window Pointer）會(huì)被指向當(dāng)前活躍的寄存器窗口。如果沒(méi)有可用的窗口，那么會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后最晚返回的窗口會(huì)被保存到內(nèi)存，一個(gè)保存窗口指針SWP（Saved Window Pointer）會(huì)指向被保存的窗口。如果有N個(gè)窗口，那么就可以有N-1個(gè)過(guò)程調(diào)用，這很好理解，比如有2個(gè)過(guò)程A和B，對(duì)應(yīng)2個(gè)寄存器窗口，那么就可以有過(guò)程A調(diào)用B這一個(gè)過(guò)程調(diào)用。

這時(shí)候有人能就會(huì)問(wèn)：局部變量這么處理，那全局變量呢？

典型的處理方式是由編譯器分配到內(nèi)存。或者也可以用一些全局變量寄存器來(lái)存儲(chǔ)，不過(guò)這樣會(huì)加重寄存器的負(fù)擔(dān)。

13.3 大寄存器組和緩存對(duì)比

大寄存器組和緩存Cache看上去似乎十分相似，貌似大寄存器組也就是起到了緩存的作用，存儲(chǔ)那些經(jīng)常要用的變量（雖然寄存器要快許多），兩者有什么異同呢？

• 大寄存器組存儲(chǔ)的是所有局部變量，而cache只是最近使用的變量

• 兩者空間的使用都不夠充分，大寄存器組由于給每個(gè)窗口分配的容量都是這么多，可能會(huì)用不完；而對(duì)cache，由于每次都是讀一塊數(shù)據(jù)，所以一塊中的某些數(shù)據(jù)實(shí)際上都是用不到的。

• 大寄存器組是由編譯器進(jìn)行分配，而cache是分配給最近使用的局部變量。

• 在和內(nèi)存交互的時(shí)候，大寄存器組是由過(guò)程調(diào)用的深度來(lái)決定的，如果過(guò)程調(diào)用多了就需要放入內(nèi)存了，而cache是由替換策略決定的。

• 尋址方式不同

• 大寄存器組一個(gè)周期內(nèi)能夠?qū)ぶ凡⑷〉蕉鄠€(gè)操作數(shù)，而cache只能取到一個(gè)

下圖展示了大寄存器組得尋址方式，首先指令中的低位會(huì)存儲(chǔ)一個(gè)虛擬的寄存器號(hào)，用來(lái)標(biāo)志尋址的是哪個(gè)寄存器，同時(shí)，還需要一個(gè)窗口號(hào)，用來(lái)表示是哪一個(gè)寄存器窗口。

13.4 基于編譯器的寄存器優(yōu)化

說(shuō)完了大寄存器組，我們來(lái)講講如何用編譯器對(duì)寄存器的分配進(jìn)行優(yōu)化，編譯器優(yōu)化的目的是使得需要的操作數(shù)能夠盡量存放在寄存器中，而非在內(nèi)存中，因?yàn)樽x內(nèi)存是十分耗時(shí)的。

高級(jí)語(yǔ)言是沒(méi)有顯式引用寄存器的，比如C語(yǔ)言，雖然C語(yǔ)言有register來(lái)聲明寄存器變量。事實(shí)上，編譯器是通過(guò)映射來(lái)分配寄存器的，程序中的每一個(gè)變量都會(huì)被分配給一個(gè)虛擬的寄存器，然后編譯器會(huì)將這無(wú)限的虛擬寄存器映射到有限的真實(shí)寄存器中。多個(gè)虛擬寄存器可以共享一個(gè)真實(shí)的寄存器，如果沒(méi)有真實(shí)寄存器可用，則會(huì)將變量放入內(nèi)存。

一種編譯器中經(jīng)常使用的優(yōu)化方法就是圖染色，圖染色的目的就是找到那些可以共享一個(gè)寄存器的變量，然后把他們分配到一個(gè)寄存器中，比如下面的A和D都是紅色，則可以被分配給同一個(gè)寄存器：

使用圖染色時(shí)，首先給每一個(gè)可用的真實(shí)寄存器分配一個(gè)顏色（顏色相同表示分配到同一個(gè)寄存器），在這個(gè)圖中有結(jié)點(diǎn)和邊，結(jié)點(diǎn)的含義是每一個(gè)要分配的變量（或者說(shuō)虛擬寄存器），邊則表示組成邊的兩個(gè)變量的生命周期是有重疊的，比如A和B的生命周期是有部分重疊的。

過(guò)程為：可以采用回溯法的算法思想，比如從A開(kāi)始著色，給A可以涂上紅藍(lán)綠，然后再下一層到B，如果A涂了紅色，那么B只能夠是藍(lán)色或者綠色，就分了2個(gè)叉（紅色的被剪枝了，因?yàn)椴粷M足約束條件），然后再到C，依次往下。最后可以看到，F是不能夠被涂色的，于是只能分配到內(nèi)存。

13.5 RISC和CISC對(duì)比

講完RISC的寄存器優(yōu)化之后，我們總結(jié)一下RISC的特點(diǎn)：

• 大部分指令在單周期內(nèi)執(zhí)行完成

• 操作大多都是寄存器到寄存器的

• 少且簡(jiǎn)單的尋址模式

• 少且固定的指令格式

• 硬連線設(shè)計(jì)（不是微程序）

• 更加有效的流水線

• 對(duì)中斷的反應(yīng)更加迅速

• 更長(zhǎng)的編譯時(shí)間以及花費(fèi)在編譯器上的精力

RISC和CISC到底哪個(gè)更好，還沒(méi)有定論，事實(shí)上現(xiàn)在很多都是混合使用的。

13.6 RISC流水線

大部分指令是兩階段的，只包含了取指和執(zhí)行，對(duì)于存取（Load and Store）則有三階段——取指（Instruction Fetch）、執(zhí)行（Execute）（計(jì)算內(nèi)存地址）和存儲(chǔ)（寄存器到內(nèi)存或者內(nèi)存到寄存器）。

圖(a)展示了沒(méi)有流水線的情況，圖(b)展示了兩階段的流水線，只包含了取指和執(zhí)行這兩個(gè)階段，如果是load指令，則將E和D都看成是執(zhí)行，可以看到這樣是存在流水線氣泡的，因?yàn)閳?zhí)行階段的時(shí)間太長(zhǎng)，所以第二條的執(zhí)行要延遲一拍。而圖(c)則是三階段的，就沒(méi)有了上面的問(wèn)題，但是產(chǎn)生了新的問(wèn)題，就是將rA的值和rB的值相加時(shí)，會(huì)存在依賴關(guān)系，因?yàn)樾枰鹊降诙l指令從內(nèi)存中讀到操作數(shù)，也就是D結(jié)束，才能夠執(zhí)行該命令，因此這里加了一條NOOP空過(guò)一個(gè)時(shí)拍。圖(d)也是同樣的道理，只不過(guò)需要加2條NOOP。

那么像上面這種還含有跳轉(zhuǎn)指令的該如何處理呢？

可以采用延遲轉(zhuǎn)移進(jìn)行優(yōu)化，我們來(lái)看一個(gè)例子。

延遲轉(zhuǎn)移：在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條或幾條有效的指令。當(dāng)程序執(zhí)行時(shí)，要等這些插入的指令執(zhí)行完成之后，才執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令，因此，轉(zhuǎn)移指令好像被延遲執(zhí)行了，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)，這一條或幾條指令被稱為延遲插槽。

AddressNormalDelayedOptimized

100	LOAD x,rA	LOAD X,rA	LOAD X,rA
101	ADD 1,rA	ADD 1,rA	JUMP 105
102	JUMP 105	JUMP 106	ADD 1,rA
103	ADD rA,rB	NOOP	ADD rA,rB
104	SUB rC,rB	ADD rA,rB	SUB rC,rB
105	STORE A,Z	SUB rC,rB	STORE rA,Z
106		STORE rA,Z

上表中，Normal為正常順序執(zhí)行的流水線，而Delayed是用了一條NOOP空過(guò)一個(gè)時(shí)拍，上面已經(jīng)講過(guò)了，而Optimized是使用了一些技巧進(jìn)行優(yōu)化的，我們來(lái)看一下流水線的情況：

可以看到，空過(guò)一個(gè)時(shí)拍可以解決問(wèn)題，但還是效率低了些，如果我們把轉(zhuǎn)移指令上面的那一條指令插入到轉(zhuǎn)移指令之后作為一個(gè)延遲的插槽，于是這條插入的指令還是能夠正常執(zhí)行的，且沒(méi)有依賴關(guān)系會(huì)導(dǎo)致流水線出錯(cuò)，也就是說(shuō)，這條指令充當(dāng)了本來(lái)的NOOP指令，但是又真正執(zhí)行了，于是效率就提高了。

今天的RISC就講到這里啦~

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的第十三章 RISC精简指令计算机的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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