Ch13 精简指令集计算机 RISC¶
RISC 的主要特性¶
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大量通用寄存器，使用编译器优化寄存器用法。
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有限、简单的指令集。
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强调优化指令流水线。
现代精简指令集的特点¶
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每个机器周期一条指令。
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寄存器-寄存器操作。
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简单的寻址模式和指令格式。
CISC¶
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朝向 CISC 的原因：
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出现了功能强大的复杂高级程序设计语言（HLL）
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导致程序设计语言与汇编语言之间的语义间隙增大
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出现了更复杂的机器指令、寻址方式，硬件实现的 HLL 语句
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CISC 的目标：
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提高执行效率
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简化编译
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用复杂的机器指令执行复杂的 HLL 语句
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对 HLL 操作的研究¶
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HLL 操作动态频度：过程调用在机器指令加权和存储器加权下占比很高，尤其存储器加权场景。
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操作数：局部标量变量占多数，数组/结构次之。
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过程调用：
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非常耗时的原因：
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过程传递的参量和变量数、过程嵌套深度
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大部分过程调用的传送的参变量、使用的局部标量变量不多
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很少出现长的一系列调用跟着一系列返回
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结论：
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过程调用是 HLL 中最耗时的操作，应该优化
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优化方法：优化寄存器的使用（从而减少访存）；优化流水线（减少分支影响）；
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优化方法¶
大寄存器组（硬件方案）¶
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依据/适用情况：参数、局部变量少，调用深度有限
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寄存器（几百个）分为很多个组，每个过程对应一组寄存器
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发生过程调用时，直接切换到另一个寄存器组（将过程调用优化为寄存器访问）
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对程序，任何时刻只有一组寄存器可见
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解决参数和返回值传递：
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解决全局变量：用一组全局寄存器，所有过程可见
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解决深度过深：将一部分寄存器存储在内存中
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进一步优化：环形寄存器组织
寄存器优化（软件方案）¶
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编译器的优化
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编译器为每个变量指派一个虚拟寄存器
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并通过某种方法将虚拟寄存器映射到真实寄存器
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生命周期不重叠的虚拟寄存器可以共享同一个真实寄存器
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实在安排不下，就考虑内存
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实现方法：图着色法
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画点，每个点代表一个虚拟寄存器
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连线，在两个生命周期有重叠的虚拟寄存器之间连线
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着色，若有 n 个真实寄存器，则尽量用 n 种颜色给图上色，要求相邻（有连线）的节点颜色不能相同；无法上色的节点就存在内存里。
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RISC 流水线¶
流水线的效果¶
流水线优化¶
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空指令（NOOP）：在流水线阶段插入空操作，解决数据相关性，保证指令顺序执行。
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延迟转移：交换分支指令与前序指令位置，使分支延迟期间执行有效指令，适用于无条件分支。
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循环展开
