《计算机组成与体系结构：性能设计》读后小记13、精简指令集计算机

一、指令执行特征

　　1、精简指令集计算机&＃xff08;RISC&＃xff09;的关键特征&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;有限的指令集并具有固定格式&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;大量的寄存器或利用编译器来优化寄存器的使用&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;3&＃xff09;强调对指令流水线的优化&＃xff1b;

　　2、操作&＃xff1a;研究结论中&＃xff0c;赋值语句和条件语句在程序中占有很大比例&＃xff0c;这表明简单的数据传送和指令集的顺序控制机制都很重要。

　　3、操作数&＃xff1a;Pascal和C程序中主要使用简单标量变量&＃xff0c;而且80%以上的标量是&＃xff08;过程的&＃xff09;局部变量。所以&＃xff0c;优化的主选方向是对局部标量变量的存储和访问。

　　4、过程调用&＃xff1a;过程调用和返回是HLL&＃xff08;高级语言&＃xff09;程序中最耗时的操作&＃xff0c;其中过程使用的参数及变量和嵌套的深度有显著意义。研究发现&＃xff0c;程序保持在相当窄的过程调用窗口区域内&＃xff0c;进一步证实了操作数访问是“高度局部化”的。

　　5、推论&＃xff1a;试图让指令集结构更接近HLL并不是一个有效的策略。相反&＃xff0c;通过优化典型HLL程序中最耗时操作的性能&＃xff0c;能更好地支持HLL。

二、大存储器组方案的使用

 　　1、采用寄存器的理由&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;寄存器是比主存和cache还要快的最快存储装置&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;寄存器从物理上讲是最小的&＃xff0c;通常是与ALU和控制器在同一芯片上&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;3&＃xff09;并且使用比主存和cache地址还要短的地址&＃xff1b;

　　2、寄存器窗口

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;由于过程调用的嵌套深度过多&＃xff0c;会导致数据频繁的在寄存器和存储器中传递。故总结两条结论用于解决这个问题&＃xff1a;

　　　　　　A、一个典型的过程调用只使用少量的传送参数和局部变量&＃xff1b;

　　　　　　B、过程调用的深度仅限定在一个相对窄的范围内&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;环形缓冲器&＃xff1a;寄存器窗口只用于保持少数最近过程的调用&＃xff0c;更早的过程调用必须保存到存储器中&＃xff0c;当嵌套深度减少时再恢复。

 　　3、解决全局变量的两种方式&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;由编译器为高级程序设计语言&＃xff08;HLL&＃xff09;中声明的全局变量指派存储器位置&＃xff0c;所有访问这些变量的机器指令将使用存储器引用的操作数&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;在CUP中包括一组全局寄存器&＃xff0c;这些寄存器的数量是固定的&＃xff0c;并且可以被所有寄存器使用&＃xff1b;

　　4、大寄存器组与高速缓存的对比&＃xff1a;尽管cahce能与寄存器组一样的快&＃xff0c;但cache的存取时间肯定要长。于是&＃xff0c;从性能观点看&＃xff0c;基于窗口的寄存器组对于局部标量而言是更优化的。通过加入专门的指令cache&＃xff0c;能进一步改善性能。

三、基于编译器的寄存器优化

 　　其原理不太懂&＃xff0c;具体见P315页。

四、精简指令集体系结构

 　　1、采用CISC是理由&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;简化编译器&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;CISC可生成更小、更快的程序&＃xff1b;

　　2、CISC上的真实情况&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;CISC上的编译器有偏爱简单指令的倾向&＃xff0c;结果使得复杂指令所提供的简洁性很少发能发挥作用&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;CISC上更多的指令数要求较长的操作码&＃xff0c;这使指令较长&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;3&＃xff09;RISC强调寄存器而不是存储器的访问&＃xff0c;因而要求的指令位数也更少&＃xff1b;

　　3、使用CISC的结论&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;并不能生成更小的程序&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;并不能生成更快的程序&＃xff1b;

　　4、精简指令集的共同特征&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;每机器周期一条指令&＃xff1a;机器周期被定义成由寄存器取两个操作数&＃xff0c;ALU完成算术操作&＃xff0c;然后再将结果写入寄存器的时间&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;大多数操作应是寄存器到寄存器的&＃xff0c;只以简单的LOAD和STORE操作访问存储器&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;3&＃xff09;使用简单的寻址方式。几乎全部指令都使用寄存器寻址方式&＃xff0c;其他几种寻址方式&＃xff0c;像偏移寻址和PC相对寻址&＃xff0c;也可能包含进来&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;4&＃xff09;使用简单的指令格式&＃xff0c;而且通常仅使用一种或少数几种格式&＃xff1b;

　　5、RISC的潜在优势&＃xff1a;

　　　　&＃xff08;1&＃xff09;能开发出更有效的优化编译器&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;2&＃xff09;编译器生成的大多数指令从任何方面讲都是相对简单的指令&＃xff1b;

　　　　&＃xff08;3&＃xff09;RISC程序应能更好的响应中断&＃xff0c;因为中断是相当于在基本操作之间检查的&＃xff1b;

五、RISC流水线技术

　　1、使用规整的流水线技术

　　2、流水线的优化&＃xff0c;没看懂&＃xff0c;详情见P320

　　3、指令流水线的设计不应与其他适用于系统的优化技术隔离开进行。例如&＃xff0c;流水的指令调度策略应与寄存器的动态分配一起考虑&＃xff0c;以提高效率。