RISC处理器设计
RISC系统结构
基本思想：简单结构的高效实现
体：指令系统结构
操作：简单
数据：Load-Store结构，寻址方式简单
编码：定长
相：实现与使用方式
简化硬件，提高主频
指令流水线技术：寄存器操作容易解决相关
编译技术
用：性能及兼容性
性能：每条指令周期数差不多，主频高，CPI高
流水及多发射技术在提高性能的前提下不影响兼
容性
指令系统结构
指令系统的设计原则
指令系统在计算机中的位置
硬件和软件的界面
设计要求
兼容性：在很长时间内保持不变
通用性：适合于各种应用
方便：编译器或程序员觉得好用，有较多功
能
高效：便于CPU设计的优化，不同的实现方
法得到不同的性能
指令系统与系统结构
50-60年代
Computer Architecture=Computer
Arithmetic
70-80年代
Computer Architecture=Instruction Set
Design
90年代以后
Computer Architecture=Design of CPU,
Memory System, I/O System,
Multiprocessors
Searching the space of possible designs at
all levels of computer systems
影响指令系统设计的因素
工艺技术
早期的硬件昂贵，简化硬件是指令系统设计的
主要因素
如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积
系统结构
增加指令功能还是提高主频？
并行性：SIMD、向量、多发射（兼容性好）、
PIM
操作系统
多进程支持、虚地址空间等
编译技术与程序设计语言
指令的表达能力
应用程序
兼容性
工艺技术的发展（1）
工艺技术是处理器技术发展的源动力
集成度及CPU主频提高快，访存延迟提高慢
1990年： 33MHz Intel 386, 80ns访存延迟
1996年：266MHz Intel PII, 60ns访存延迟
上述趋势影响系统结构研究的内容
并行技术：流水线、多处理器、磁盘阵列
存储层次
网络
工艺技术的发展（2）
Moore定律
Intel的创始人之一Gordon Moore在1971年
预言每18个月芯片集成度增加一倍。
30年来这个预言基本正确，普遍认为这个定
律可以适用到2010年
2002年达到每个芯片100,000,000个晶体管
2910年达到每个芯片1,000,000,000个晶体
管
这么多晶体管用来做什么？=>系统结构的
研究
工艺技术的发展（3）
Moore定律：处理器集成度提高
工艺技术的发展（4）
Moore定律：存储器集成度的提高
工艺技术对指令系统的影响
早期的指令系统设计主要考虑如何减少
硬件
随着集成度的提高，如何有效利用芯片
面积成为系统结构重要研究内容，一些
新的并行结构如PIM、SIMD等必然影响
指令系统
多发射技术的兼容性好
由于CPU与存储器的速度差距，指令系统
的设计应能较好地利用存储层次，如通
过并行或流水容忍延迟。
微处理器技术的发展（1）
通常微处理器指单片上的处理器
1971年Intel设计出第一个商品化微处理器。
70年代以来，微处理器的性能提高速度远大
于大型机或小型机。
目前几乎所有的计算机系统都基于微处理器
微处理器性能的提高不仅得益于微电子技术，
更加得益于系统结构技术（近年来尤其如此）
。
主频每3年增加一倍，微处理器速度每18个
月增加一倍（约每年增加50%）。性能价格
比每年增加70%。
微处理器技术的发展（2）
微处理器与其它计算机的性能提高速度
微处理器技术的发展（3）
微处理器性能提高越来越快
系统结构对指令系统的影响
指令系统本身是系统结构设计的一部分
不改变指令系统的前提下提高性能，如
流水、多发射等
指令系统的兼容性与系统结构发展的矛
盾关系
Intel的做法
编译技术对指令系统的影响
指令是编译器的工作结果
早期的指令系统主要考虑如何便于编程
编译器的影响
寄存器分配
堆栈用于存放局部变量，全局数据区用于存放静
态数据，堆用于存放动态数据。
寄存器分配要考虑一致性问题，可以被aliased的
数据不能分配在寄存器中（C中的volatile）。
为使编译器有效使用graph coloring启发式算法，
至少需要16个通用寄存器。
规整：所有访存指令都可用所有寻址方式
简单：简化trade-offs，允许编译时确定常
量，只提供基本的通用操作。
设计指令系统考虑的因素
操作
操作种类
操作数
堆栈型、累加器型、寄存器型
操作数个数和类型
访存操作数的寻址方式：寄存器、立即数、
直接、间接...
指令编码
定长、变长
指令系统的类型（1）
根据指令使用数据的方式，指令系统分为以下
几类
堆栈型(Stack)：操作数在栈顶，运算操作不用指
定操作数
累加器型(Accumulator)：一个操作数总在累加器
中，结果也写回累加器
寄存器型(Register)，每个操作数都由指令指定
Register-Register型，又称为Load-Store型，所有运算
操作的操作数都在寄存器中
Register-Memory型，
Memory-Memory型，
上述三种指令系统类型也可以分别称为0地址
指令，单地址指令，以及多地址指令
指令系统的类型（2）
例子：不同指令系统完成C=A+B的指令
序列，假设A、B、C在内存中不同的单元
指令系统的类型（3）
早期的计算机多用堆栈和累加器型指令
出于降低硬件复杂度的考虑
现在已经不用（Intel有点例外）
80年代后的机器主要是寄存器型
访问寄存器比访问存储器快
便于编译器使用和优化
寄存器可以用来存放变量，减少访存次数
寄存器指令再分类
分类标准
运算操作中操作数的个数
运算操作中存储器操作数的个数
存储访问的表示
两个方面
如何表示地址：寻址方式
给定一个地址，访问目标及其长度
访存对象
存储器按字节编址：所有地址都是字节地
址
访问长度：字节、半字、字、双字
地址对齐简化硬件设计：如字地址最低两
位为0
Big Endian和Little Endian：影响不同机器
间的数据兼容性。
Little Endian地址指向一个字的最右字节，Big
Endian 反之
寻址方式（1）
如何在指令中表示访存地址
寻址方式（2）
至少支持Register, Immediate,
Displacement, 和Register indirect四种寻
址方式
地址偏移量位数12-16位
立即数位数8-16位
指令操作
Rule of Thumb：最常用的指令是简单指
令
SPECint92的X86指令统计
把这些简单指令做得快一点，其它慢一点没
关系
转移指令特点
条件转移最多
偏移量至少要8位
转移条件简单：与0比较的最多
指令编码
需要考虑的因素
操作码部分比较简单
操作数的个数、类型对指令长度影响很大
变长指令程序代码短、定长指令实现简单
编码方法
定长：RISC
变长：VAX的指令1-53字节，其中ADD指令3-
19字节
混合
从上述分析可以看出
简单操作和简单寻址方式用得最多
10简单操作指令占96%
寄存器, 立即数, 偏移寻址, 寄存器间接寻址四
种寻址方式
简单指令便于高效实现和使用
load-store结构简化硬件设计，提高主频
定长简化译码
符合编译器“常用的做得快，少用的只要对”的
原则
硬件优化应充分考虑兼容性
流水、多发射不改变指令系统
流水、多发射技术在load-store指令系统上容易
实现，否则相关性分析困难
上述原因呼唤RISC系统结构
一个“典型”的RISC
32位定长指令
32个32位通用寄存器
三寄存器操作数运算指令
Load-Store指令，基址+偏移量寻址方式
简单转移条件
Delay-Branch
MIPS指令格式
OP(6) RS1(5) RS2(5) RD(5) SA(5) OPX(6)R-type
OP(6) RS(5) RD(5) ImmediateI-type
OP(6) targetJ-type
RISC发展过程（1）
1964年CDC公司推出的CDC 6600是第一
台超级计算机，具备了RISC的一些基本
特征
CDC 6600的设计者认识到为了实现有效的
流水技术，需要简化体系结构
Load-Store结构
记分板(Score-Boarding)动态流水线调度
乱序执行(Out-of-Order)技术
1976年的Cray-1向量机使用了与CDC
6600类似的想法
Cray是CDC 6600的主要设计者之一
上述简化结构以高效实现的想法在60-70
年代没有受到小型机和微处理器设计者
的重视
RISC发展过程（2）
1968年John Cocke在IBM的San Jose研究中心
开始ASC(Advanced Scientific Computer)项目
的研究
基本思想是让编译器做更多的指令调度以减少硬件
复杂度
还提出了每个周期发射多条指令的思想
ASC计划后来被取消，Cocke在1971年到Future
System
1975年Cocke到IBM的Yorktown研究中心开始
研制IBM 801，801是最早开始设计的RISC处
理器
Cocke获得了Eckert-Mauchly和Turing奖
801是PowerPC的前身
比801稍晚开始的有Patterson在Berkeley的
RISC-I及RISC-II与Hennessy在Standford的
MIPS项目
这两个大学的研究生曾参与801项目的研究，后来
返回大学
RISC-II是SPARC的前身，MIPS项目是MIPS处理器
前身
RISC发展过程（3）
801的项目经理Joel Birnbaum到HP创立了PA-
RISC
DEC在推出Alpha之前曾经使用MIPS处理器三
年
1994年Intel和HP宣布使用相同的系统结构
从上述发展过程不难解释刚开始时五个RISC
处理器的相似性
后来每个RISC处理器有了不同的发展
如Alpha的指令简单，超流水结构，流水级多，主
频高，“a speed demon”
PowerPC指令功能强，灵活，甚至有点象CISC，
“a brainiac”
常见RISC指令系统比较
通过比较常见RISC处理器的指令系统加
深对RISC的了解
MIPS IV (Alpha与MIPS很象)
PA-RISC and
PowerPC
SPARC
通过以下方面进行比较
指令格式
寻址方式
指令功能
RISC指令系统的发展
寻址方式比较
指令功能比较
所有RISC处理器都有一些公共指令
load/store指令
算术运算及逻辑指令
控制流指令
不同处理器在比较及转移指令时有较大
不同
比较及条件转移（1）
转移条件
SPARC 使用4位条件码(CC)，该条件码在程序
状态字中
整数运算指令设置CC，条件转移指令检测CC
浮点运算有另外两位CC
为了支持64位运算增加了4位整数CC，3位浮点CC
MIPS直接比较寄存器内容判断是否转移
浮点部件有一位条件码，记录cmp指令的结果
PowerPC有4位CC，一个条件寄存器中有8份4位CC
整数和浮点运算各1位，其它用于比较指令。
Branch指令需指定根据哪一位进行转移
运算指令中有一位指定该指令是否影响CC
PA-RISC有多中选择，最常用的是比较两个寄存器
的值并根据结果决定是否转移
比较及条件转移（2）
Delayed Branch技术
紧挨Branch指令后面的指令视为Branch前面的指
令执行可以避免流水线断流。
转移不成功时取消已执行的delay slot指令可以把
转移目标的指令安排在delay slot中。
转移成功时取消已执行的delay slot指令可以把转
移不成功的指令安排在delay slot中。
指令系统的其它功能
下面指令在前述的指令系统中也很常见（至少
在两个指令系统中出现）
Atomic Swap指令
64位指令，ALPHA本来就是64位的，因此不区分64
位指令
预取指令
Big Endian与Little Endian的切换
共享存储同步指令
等
Atomic Swap指令
以MIPS的LL和SC指令 为例
LL(Load Linked)取数且置系统中LLbit为1
LL为1时，处理器检查相应单元是否被修改，如果
其它处理器或设备访问了相应单元或执行了ERET操
作，LLbit置为0
执行SC(Store Conditional)时若Llbit为1，则成功，
目标寄存器为1；否则存数不成功，目标寄存器为0
L1: LL R1, (R3)
ADD R2, R1, 1
SC R2, (R3)
BEQ R2, 0, L1
NOP
MIPS部分指令特色（1）
作为比较早期的RISC系统，MIPS的指令系统
已经发展了四代，不断增加新指令，包括
边界不对齐的数据传送
TLB指令（在MIPS中TLB失效由软件解决）
TLBI，TLBR，TLBW，TLBP
SYSCALL
CTCi, CFCi
NOR指令
JUMP/CALL指令，绝对跳转，指令中的立即数左移
两位替换PC的低28位地址
条件过程调用，BGEZAL, BLTZAL
LL/SC指令用于原子操作
RECIP和RSQRT（Reciprocal）
D A V
E
M[100]
M[104]
J O H NR2
初始值
D A V NR2
D A V ER2
执行“LWL, R2, 101”后
执行“LWR, R2, 104”后
D
A V E
M[200]
M[204]
J O H NR2
初始值
D O H NR2
D A V ER2
执行“LWL, R2, 203”后
执行“LWR, R2, 206”后
MIPS部分指令特色（2）
边界不对齐的数据传送
SPARC部分指令特色（1）
寄存器窗口
多组寄存器用于不同进程，8个全局寄存器用于传
递参数等
2-32个寄存器穿口，每个24个寄存器
过程调用和退出不用把现场保留到存储器
SAVE和RESTORE指令
SAVE做加法，源寄存器来自调用过程(caller)，目标寄
存器来自被调用过程(callee)，该指令可用于自动修改
堆栈指针。
RESTORE做加法，源寄存器来自被调用过程(callee)，
目标寄存器来自调用过程(caller)，该指令用来自动释
放堆栈
“标志”加减指令
数据的低两位指出数据类型
适用于LIPS和Smalltalk等
SPARC部分指令特色（2）
其它特色
转移指令JMPL把返回地址存在Rd中，Rd为R0时
相当于JR，Rd为R31时相当于JALR
128浮点运算和数据传送指令
转移指令给出转移是否成功的预测
POPC计算一个操作数中“1”的个数
CASA指令用于原子操作，把一个寄存器的值与
一个内存单元的值比较，如果相等，把内存的值
与另一个寄存器的值交换
ILLTRAP：非法指令错
等等
PowerPC部分指令特色
Link和Count寄存器
Link寄存器用于保存返回地址，实现快速过
程调用
Count寄存器用于循环计数，每次自动递减
这两个寄存器还可以放转移地址
PowerPC不用Delay Slot
其它特色
Load和Store指令同时存取多个寄存器（多
达32个）
Load和Store字符串（变长或定长、对齐或
不对齐）
乘加和乘减指令
LWARX/STWCX实现原子操作，类似于
LL/SC
把数据预取到CACHE的指令
多种移位指令，比较灵活。
PA-RISC部分指令特色
Nullification
不仅是条件转移指令，其它指令也可以根据
执行结果确定下一条指令是否执行
寻址方式、指令格式、转移指令多而灵
活，在所有RISC结构中最多
其它特色
支持十进制
Load and Clear指令用于原子操作
在寄存器中选择或插入任意位
PA-RISC 增加的功能
64位指令
乘加和乘减指令
预取数据到CACHE的指令
