Ch13 精简指令集计算机 RISC

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RISC 的主要特性

• 大量通用寄存器，使用编译器优化寄存器用法。
• 有限、简单的指令集。
• 强调优化指令流水线。

现代精简指令集的特点

• 每个机器周期一条指令。
• 寄存器-寄存器操作。
• 简单的寻址模式和指令格式。

CISC

1. 朝向 CISC 的原因：
   • 出现了功能强大的复杂高级程序设计语言（HLL）
   • 导致程序设计语言与汇编语言之间的语义间隙增大
   • 出现了更复杂的机器指令、寻址方式，硬件实现的 HLL 语句
2. CISC 的目标：
   • 提高执行效率
   • 简化编译
   • 用复杂的机器指令执行复杂的 HLL 语句

对 HLL 操作的研究

• 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。
• 操作数：局部标量变量占多数，数组/结构次之。
• 过程调用：
  • 非常耗时的原因：
    • 过程传递的参量和变量数、过程嵌套深度
    • 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
    • 很少出现长的一系列调用跟着一系列返回
• 结论：
  • 过程调用是 HLL 中最耗时的操作，应该优化
  • 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）；

优化方法

大寄存器组（硬件方案）

• 依据/适用情况：参数、局部变量少，调用深度有限
• 寄存器（几百个）分为很多个组，每个过程对应一组寄存器
• 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）
• 对程序，任何时刻只有一组寄存器可见

• 解决参数和返回值传递：

  

• 解决全局变量：用一组全局寄存器，所有过程可见

• 解决深度过深：将一部分寄存器存储在内存中

• 进一步优化：环形寄存器组织

  

寄存器优化（软件方案）

1. 编译器的优化
   • 编译器为每个变量指派一个虚拟寄存器
   • 并通过某种方法将虚拟寄存器映射到真实寄存器
   • 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
   • 实在安排不下，就考虑内存

2. 实现方法：图着色法

   1. 画点，每个点代表一个虚拟寄存器
   2. 连线，在两个生命周期有重叠的虚拟寄存器之间连线
   3. 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。

   

RISC 流水线

流水线的效果

流水线优化

• 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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