《计算机组成与体系结构：性能设计》读后小记 13、精简指令集计算机

一、指令执行特征

　　1、精简指令集计算机（RISC）的关键特征：

　　　　（1）有限的指令集并具有固定格式；

　　　　（2）大量的寄存器或利用编译器来优化寄存器的使用；

　　　　（3）强调对指令流水线的优化；

　　2、操作：研究结论中，赋值语句和条件语句在程序中占有很大比例，这表明简单的数据传送和指令集的顺序控制机制都很重要。

　　3、操作数：Pascal和C程序中主要使用简单标量变量，而且80%以上的标量是（过程的）局部变量。所以，优化的主选方向是对局部标量变量的存储和访问。

　　4、过程调用：过程调用和返回是HLL（高级语言）程序中最耗时的操作，其中过程使用的参数及变量和嵌套的深度有显著意义。研究发现，程序保持在相当窄的过程调用窗口区域内，进一步证实了操作数访问是“高度局部化”的。

　　5、推论：试图让指令集结构更接近HLL并不是一个有效的策略。相反，通过优化典型HLL程序中最耗时操作的性能，能更好地支持HLL。

 

二、大存储器组方案的使用

 　　1、采用寄存器的理由：

　　　　（1）寄存器是比主存和cache还要快的最快存储装置；

　　　　（2）寄存器从物理上讲是最小的，通常是与ALU和控制器在同一芯片上；

　　　　（3）并且使用比主存和cache地址还要短的地址；

　　2、寄存器窗口

　　　　（1）由于过程调用的嵌套深度过多，会导致数据频繁的在寄存器和存储器中传递。故总结两条结论用于解决这个问题：

　　　　　　A、一个典型的过程调用只使用少量的传送参数和局部变量；

　　　　　　B、过程调用的深度仅限定在一个相对窄的范围内；

　　　　（2）环形缓冲器：寄存器窗口只用于保持少数最近过程的调用，更早的过程调用必须保存到存储器中，当嵌套深度减少时再恢复。

 　　3、解决全局变量的两种方式：

　　　　（1）由编译器为高级程序设计语言（HLL）中声明的全局变量指派存储器位置，所有访问这些变量的机器指令将使用存储器引用的操作数；

　　　　（2）在CUP中包括一组全局寄存器，这些寄存器的数量是固定的，并且可以被所有寄存器使用；

　　4、大寄存器组与高速缓存的对比：尽管cahce能与寄存器组一样的快，但cache的存取时间肯定要长。于是，从性能观点看，基于窗口的寄存器组对于局部标量而言是更优化的。通过加入专门的指令cache，能进一步改善性能。

三、基于编译器的寄存器优化

 　　其原理不太懂，具体见P315页。

 

四、精简指令集体系结构

 　　1、采用CISC是理由：

　　　　（1）简化编译器；

　　　　（2）CISC可生成更小、更快的程序；

　　2、CISC上的真实情况：

　　　　（1）CISC上的编译器有偏爱简单指令的倾向，结果使得复杂指令所提供的简洁性很少发能发挥作用；

　　　　（2）CISC上更多的指令数要求较长的操作码，这使指令较长；

　　　　（3）RISC强调寄存器而不是存储器的访问，因而要求的指令位数也更少；

　　3、使用CISC的结论：

　　　　（1）并不能生成更小的程序；

　　　　（2）并不能生成更快的程序；

　　4、精简指令集的共同特征：

　　　　（1）每机器周期一条指令：机器周期被定义成由寄存器取两个操作数，ALU完成算术操作，然后再将结果写入寄存器的时间；

　　　　（2）大多数操作应是寄存器到寄存器的，只以简单的LOAD和STORE操作访问存储器；

　　　　（3）使用简单的寻址方式。几乎全部指令都使用寄存器寻址方式，其他几种寻址方式，像偏移寻址和PC相对寻址，也可能包含进来；

　　　　（4）使用简单的指令格式，而且通常仅使用一种或少数几种格式；

　　5、RISC的潜在优势：

　　　　（1）能开发出更有效的优化编译器；

　　　　（2）编译器生成的大多数指令从任何方面讲都是相对简单的指令；

　　　　（3）RISC程序应能更好的响应中断，因为中断是相当于在基本操作之间检查的；

 

五、RISC流水线技术

　　1、使用规整的流水线技术

　　2、流水线的优化，没看懂，详情见P320

　　3、指令流水线的设计不应与其他适用于系统的优化技术隔离开进行。例如，流水的指令调度策略应与寄存器的动态分配一起考虑，以提高效率。