RISC CPU

高檔微機中所採用的一種帶有精簡指令集的CPU

RISC CPU

基本概述

它的特點是:指令系統 小,一個時鐘周期內可以執行一條或者多條指令;採用標準長度指令;存儲器訪問只使用載入和存儲兩個指令等;採用硬布線邏輯控制為主。

RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集計算機),是和CISC(Complex Instruction Set Computer,複雜指令集計算機)相對的一種CPU架構,它把較長的指令分拆成若干條長度相同的單一指令,可使CPU的工作變得單純、速度更快,設計和開發也更簡單。這項技術最先誕生於斯坦福大學和加州伯克利分校,1986年,HP公司首先應用RISC技術開發出PA-8000,主頻為180MHz,MIPS公司也推出了自己的RISC處理器——R2000;次年,SUN和德州儀器合作開發的Sparc處理器問世。Sparc處理器憑藉出色的性能,迅速佔據了UNIX工作站的市場。

一時間,RISC旋風刮遍整個計算機行業,被認為是以後CPU的主流架構。SUN公司也就「得隴望蜀」,打算把Sparc處理器的市場擴大到PC領域。一方面,SUN把Sparc架構授權給包括德州儀器、富士通、東芝等多家半導體公司,擴大同盟;另一方面,SUN積極遊說電腦廠商生產UNIX/Sparc(UNIX操作系統+Sparc處理器)電腦,希望重現IBM PC所創造過的輝煌。

和Sparc處理器相比,Intel的386處理器基於CISC技術,傳統的X86指令不僅長度較長,且長短不一。究竟是採用全新的RISC架構,還是走兼容+改進的技術道路?Intel公司上下爭論不一,最後決定兵分兩路,兩個開發隊伍分別研製採用全新RISC架構的860處理器和X86架構改進型的80486處理器。1989年2月,860處理器上市,同年4月80486處理器正式發布。

雖然860處理器以全新架構贏得了一片喝彩,最終卻因為缺乏廣泛的應用軟體和外圍設備的支持面顯得「曲高和寡」,市場接受程度很低。相反,486處理器在指令集上保持了一貫的兼容性,但在處理器內部的設計上大膽採用了RISC技術,能夠在1個周期內執行1條指令。486處理器集成了120萬個晶體管,首次突破了100萬個晶體管的限制;它的起跳頻率是25MHz,並內置緩存;486處理器採用了倍頻技術,使得CPU的主頻可不受外頻的制約而大幅提升,486後期發布的80486 DX4-100採用4倍頻,首次把CPU頻率提高到100MHz。

860處理器在市場推廣上面臨的問題,同樣讓SUN在PC領域大幹一場的雄心受挫。缺乏應用軟體、系統廠商數目不夠,這樣的架構就很難得到廣泛應用;而規模上不去,無論CPU還是整台電腦,價格都會居高不下,個人和家庭用戶也很難接受它。到了1990年,MIPS公司和SGI、DEC、COMPAQ等公司組成了ACE(Advanced Computing Environment)聯盟,也希望以自己的RISC晶元取代Intel的地位。然而這個ACE聯盟還是無法解決上述問題,最終只能曇花一現,各奔東西,領頭羊MIPS也被SGI公司於1992年收購。而在386時代領跑的COMPAQ公司,錯誤地把寶壓在這個MIPS聯盟上,結果反被DELL、Gateway等後起之秀搶了先機。

傳統的 CISC(Complex Instruction Set Computer,複雜指令集計算機)結構有其固有的缺點,即隨著計算機技術的發展而不斷引入新的複雜的指令集,為支持這些新增的指令,計算機的體系結構會越來越複雜,然而,在CISC 指令集的各種指令中,其使用頻率卻相差懸殊,大約有20%的指令會被反覆使用,占整個程序代碼的80%。而餘下的80%的指令卻不經常使用,在程序設計中只佔20%,顯然,這種結構是不太合理的。

體系結構

基於以上的不合理性,1979 年美國加州大學伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set

Computer,精簡指令集計算機)的概念,RISC 並非只是簡單地去減少指令,而是把著眼點放在了如

何使計算機的結構更加簡單合理地提高運算速度上。RISC 結構優先選取使用頻最高的簡單指令,避

免複雜指令;將指令長度固定,指令格式和尋地方式種類減少;以控制邏輯為主,不用或少用微碼

控制等措施來達到上述目的。

到目前為止,RISC 體系結構也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC 體系結構應具有如下特點:

- 採用固定長度的指令格式,指令歸整、簡單、基本定址方式有 2~3 種。

- 使用單周期指令,便於流水線操作執行。

- 大量使用寄存器,數據處理指令只對寄存器進行操作,只有載入/ 存儲指令可以訪問存儲器,

以提高指令的執行效率。

當然和 CISC 架構相比較,儘管RISC 架構有上述的優點,但決不能認為RISC 架構就可以取

代CISC 架構,事實上,RISC 和CISC 各有優勢,而且界限並不那麼明顯。現代的CPU 往往採用

CISC 的外圍,內部加入了RISC 的特性,如超長指令集CPU 就是融合了RISC 和CISC 的優勢,成

為未來的CPU 發展方向之一。