45、精简指令集计算机（RISC）架构解析

精简指令集计算机（RISC）架构解析

1. RISC架构的核心要素

RISC架构具有三个主要特征，这些特征是众多研究的总结：
- 大量寄存器或编译器优化 ：旨在优化操作数引用。高级语言（HLL）程序中，每个语句有多次引用，且赋值语句比例高，同时存在局部性和标量引用的主导性。因此，减少内存引用、增加寄存器引用可提升性能，扩展寄存器集是可行的。
- 精心设计指令流水线 ：由于条件分支和过程调用指令比例高，简单的指令流水线效率低下，会导致大量预取指令未执行。
- 高性能原语指令集 ：指令应具有可预测的成本（执行时间、代码大小和能耗），并与高性能实现一致。

2. 大寄存器文件的使用

2.1 快速访问操作数的需求

HLL程序中存在大量赋值语句，且每个语句有多次操作数访问，多数访问是针对局部标量。寄存器存储是最快的存储设备，比主存和缓存都快，物理尺寸小，地址短。因此，需要一种策略，使最常访问的操作数存于寄存器，减少寄存器 - 内存操作。

2.2 软件和硬件方法

有两种基本方法：
- 软件方法 ：依赖编译器最大化寄存器使用。编译器会使用复杂的程序分析算法，将寄存器分配给特定时间段内使用最多的变量。
- 硬件方法 ：使用更多寄存器，使更多变量能长时间存于寄存器。下面重点讨论硬件方法，该方法由伯克利RISC小组开创，用于首个商用RISC产品Pyramid，目前在流行的SPARC架构中使用。