浅析计算机系统结构的发展现状和发展方向

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浅析计算机系统结构的发展现状和发展方向

刘晓天

(盐城纺织职业技术学院

【摘要] s o c和 R S IC是近年来市场上依据指令系统优化方法不同而 划分出的两大主流计算机结构。本文从复杂指令系统计算机 (Ic到 cs )

240 ) 2 0 5

缩短了执行时间。同时， I机器还设置了较大容量的高速缓 Rs c

精简指令系统计算￣( S WJ e C发展、 RS d及 IC关键技术出发，结合实际应

用中出现的新技术，望了计算机系统结构今后的发展方向。展

【键词】 S关 RIc技术 CS IC技术指令系统

存，扩展存储器的带宽，足 C U频繁取指的需要，高流水线以满 P提的效率。(重叠寄存器窗口技术。重叠寄存窗口的基本思想是： 4 ) 在机器中配置一个很大的。寄存器群，其划分给若干个过程使将

用，个过程所用的一组寄存器又可分为三部分，一部分用来与每第

在相当长的一段时间内， C的 C U主要可以分为两大类： P P以 I e P ni为代表所采用的 c s n r et m t u IC和以 M o rl P w P t o o e C为代表 o a r

所采用的 RS IC。CIC的全称是 Co lxIsrcinS tC mp t一 S mp e t t e o ue n u o r

一

高一级 (过程的主调过程 )换参数；二部分只供本过程使用；本交第 第三部分用来与低一级过程 (过程的受调过程 )换参数。每个本交

过程的第三部分寄存器与低一级过程的第一部分寄存器合用相同的物理寄存器，达到寄存器的重叠使用。利用该重叠窗口进行以过程的参数交换没有任何延迟。()逻辑上采用以硬件为主， 5在软件为辅的技术。R s I C控制器采用组合逻辑部件，不采用微程序而控制。首先微程序对微码的解释和执行很难在一个机器周期内完成，与 Rs这 IC机器在一个机器周期内执行一条指令的思想是相违背的；次，I其 Rs C采用硬布线控制逻辑的控制部件所占面积要比 微程序存储器少得多，以利用所节余的面积安放寄存器组或其

可它逻辑电路。 6采用优化编译程序。R S指令集的简化使 C U ) I C P执行同样一个程序所需的指令数 I C S比 IC所需的指令数 I,多但通过优化编译程序和其它方法可减少指令数 I。另外，可优化调还

复杂指令系统计算机。它通过增强计算机指令系统功能，置设

一

些用硬件实现的复杂指令，过微程序去执行大量功能各异的通指令，而优化计算机系统性能。R S一一 R d cd I t c o e从 IC e ue n r t n St su i

C m u— e,简指令系统计算机，基本思想是尽量简化计算机 opt r精其

指令功能。只保留了数量很少的、功能简单、在一个节拍内执行能完成的指令，把较复杂的功能用一段子程序来实现。而 从 CI C到 RI C S S

一

、

7年代以前的 C C结构下的计算机， 0 B将许多复杂指令通过硬

件来实现，大程度简化了目标程序； I很 CS C指令的长度不一，以可

节省存储空间；而且，IC指令可以直接对存储器操作，得通用 CS使

寄存数目较少。

整指令的执行顺序。以尽量减少机器的空等时间。 7令流调整 )指技术。为了使 Rs IC处理机中的指令流水线高效地工作，当发现指令流有断流可能时，整指令序列，以通过重命名来取消数据相调可

关等，而提高流水线执行效率。8指令取消技术。在使用指令从 )取消技术的处理机里，有指令都可以决定下面待执行的指令是所否应该取消，果取消，当于执行一条空指令，影响程序运行如相不

环境。 三、 S技术的优缺点 RI C

进人 8年代， 0随着 V S技术的发展，路集成度大大提高， LI电

而由于 C S IC中指令系统庞大，址方式、令格式较多且长度不寻指

许多复杂指令的控制逻辑及其不规整， V S工艺实现存在用 LI很大困难，加了硬件复杂度和设计成本；时大量 D A做主增同 R M

一

,

存储器，主存与控存速度相当，杂指令用微程序实现和用简单指复

令的子程序实现效率相当；且，量的数字统计表明 2 指令占而大 0

据了 8 的处理机时间，多指令使用频度低。 0许 针对这些问题，9 0年， a e o 18 Pt s n和 D te提出了精简指令系 t r i l z统计算机的设想，过精简，令系统使计算机结构变得简单、通指合理、效。I M在 18有 B 9 0年推出了 P/ T,后又推出了 R s系 CX然 I c

统/ 00 u 6 0。S n也在其 S AR P C处理器中采用了这个概念。直到最

实践证明，用 RS采 IC结构可以带来如下好处：1简指令系 ()精统设计适合超大规模集成电路实现。指令条数相对较少，址方寻式简单，令格式规整，制器的译码和执行硬件相对简单，LI指控 VS

片中用于实现控制器的这部分面积所占的比例明显减少。f可以 2 )

提供直接支持高级语言的能力，化编译程序的设计。指令总数简的减少，小了编译过程中对功能类似的机器指令进行选择的范缩嗣，轻了对各种寻址方式进行选择、析和变换的负担，于更减分易

换或取消指令、整指令顺序，高程序的运行速度。而且，调提由于

近，普在其 NO惠 N— S O、 lh re和 H 00服务器产品线 T P Ap aS v e r P 90

中一直大量使用 R s I C技术。

二、 S技术的主要内容 RIC

一

.

般说来， P的执行速度受程序中的指令数 1每条指令执 CU、

行所需的周期数 C I每个周期的时间 T P和 3个因素的影响。 R s IC技术主要从减少 c P人手，取了以下措施： 1简指令系统。大采 ()精

主要操作在寄存器问进行，寄存器重叠窗口的采用，接支持子及直程序和过程调用的高级语言处理。() 3可提高机器的执行速度和效率，降低设计成本，高系统的可靠性。指令系统的精简可以加快提指令的译码，控制器的简化可以缩短指令的执行延时等等，些都这

可以提高程序执行的速度。同时也缩短了设计周期，少了设计减错误，降低了设计成本，提高了系统的可靠性。 四、算机系统结构的新发展一一 V w技术计¨ V I V r o g nt c o r)长指令集架构，微处理器 LW(

e L n s u t nWo超 y I r i d是

多数典型的 Rs I C指令系统通过采用寄存器堆减少缓存次数，少减 C I提高 C U速度。同时，用简单的指令格式、 P来 P采固定的指令字

长和简单的寻址方式，指令的执行尽可能安排在一个周期内完让

成。(流水线和延迟转移技术。采用流水线技术的方式 _, 2 )丁作取

指令和执行指令并行进行，然一条指令的执行仍需几个周期的虽时间，从平均效应来看，条指令的周期数大大减少，至达到但每甚每条指令只需一个周期。同时为了避免转移指令中出现重叠方式预取的下一条指令作废的浪费，出了延迟转移的思想，这两类提在

设计领域中的一种越来越流行的技术，用了先进的 E I(晰并采 PC清行指令煅计。这种类型的 C U芯片能从应用程序中提取高度并 P

行且长度稍短的指令组成定长长指令数据，把这些机器指令均并

指令之后分别安排一条与它们不存在依赖关系的可立即执行的指令，保流水线的高效运行。 ()用 La、t e结构和高速缓存确 3采 od So r结构。RS JC技术只允许 L a指令和 Soe令执行存储器操作， o d tr指

其它指令只能对寄存器进行操作，大多数指令的功能得到简化，使

匀地分配给芯片中的众多执行单元。

V I最大优点是通过编译器静脉调度发掘程序中潜在的并 LW行性，化了处理器的结构，除了处理器内部许多复杂的控制电简删

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