精简指令集简述

精简指令集计算机(RISC:Reduced Instruction Set Computer RISC) [3] 是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机(即RISC机)，RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令，即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。许多当前的微芯片都使用RISC概念。

精简指令集计算机(RISC:Reduced Instruction Set Computer) [3] 是一种指令长度较短的计算机，其运行速度比CISC要快。RISC和CISC是CPU从指令集的特点上可以分为两类：CISC和RISC。RISC是英文Reduced Instruction Set Computer的缩写 [3] ，就是“精简指令运算集”，CISC就是“复杂指令运算集”。RISC的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。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Power PC、MIPS公司的MIPS和SUN公司的Sparc。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硬件结构来满足对计算机日益增加的性能要求。计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。并使机器语言所占的内存减至最小，在具有先进的存储器技术和先进的编译程序的条件下，CISC体系结构已不再适用了，因而诞生了RISC体系结构，RISC技术的基本出发点就是通过精减机器指令系统来减少硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度。在RISC中，计算机实际上每一个机器周期里都执行指令，无论简单或复杂的操作，均由简单指令的程序块完成，具有较强的仿真能力。在RISC机器中，要求在“单机器周期”时间内执行所有的指令，而系统最根本的吞吐率限制是由程序运行中访存时间比例所决定的，因此，只要CPU执行指令的时间与取指时间相同，即可获得最大的系统吞吐率。(对于一个机器周期执行一条指令而言)。RISC机器中，采用硬件控制以实现快速的指令译码，并采用较少的指令和简单的寻址模式，通过固定的指令格式来简化指令译码和硬线控制逻辑。另外，RISC设计是以复杂的编译设计优化来求取简单的硬件芯片环境。编译优化可以改善HLL程序的运行效率，但所有的程序必须由高级语言编写。

RISC设计消除了微码的例行程序，把机器低级控制交给软件处理。即用较快的RAM代替处理器中的微码ROM作为指令的缓存(Cache)，计算机的控制驻存在指令Cache，从而使得计算机系统和编译器产生的指令流能使高级语言的需求和硬件性能密切配合。计算机的性能可以用完成一特定任务所需的时间来衡量，这个时间等于C×T×I。C=完成每条指令所需的周期数，T=每个周期的时间，I=每个任务的指令数RISC技术就是努力使C和T减至最小，C和T的减小可能导致I的增加，但优化编译技术和其他技术的采用可以弥补由于I的增加对机器性能的影响。RISC技术之所以很快由一种新见解发展成为前景广阔的计算机市场，主要有如下几方面的原因：一是RISC结构适应日新月异的VLSI技术发展;二是RISC简化了处理器结构，实现和调试较容易，因而设计代价低，开发周期短;三是简化了结构，处理器占据了较小的芯片面积，从而可在同一芯片上集成进较大的寄存器文件，翻译后备缓冲器(TLB)、协处理器和快速乘除器等，使得处理器获得更高的性能;四是RISC对HLL程序的支持优于以往的复杂指令系统计算机，可以使用户(程序员)很容易使用统一的指令集，很容易估算代码优化所起的作用，使程序员对硬件的正确性有了更多的信任感。