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探讨SPARC结构的RISC设计技术
来源：互联网 更新时间： 7:43:05 责任编辑：王亮字体：
&&此文献给《计算机组成原理》课程设计
随着超大规模集成电路和深亚微米工艺日趋成熟，促进RISC设计技术不断进步。当今，RISC设计技术已成为高性能处理器设计技术的基础，并且推动微处理器性能显著提高。
SPARC是一种性能随着工艺技术的改进可成比提高的处理器体系结构。SPARC微处理器最突出的特点就是它的可扩展性,这是业界出现的第一款有可扩展性功能的微处理器实际上,SPARC本身就是Scalable Processor Architecture的缩写。1985年Sun微系统公司为了获得更高的执行效率和更为优化的编译器，并满足其缩短开发周期、迅速投放市场的要求，提出了该体系结构。该公司本身并不进行集成电路的设计和生产，而是由多家半导体厂商以不同的VLSI(Very large scale integration)实现为其进行生产。最终只要求用这些不同芯片构成的系统均保证程序二进制兼容。这使得厂家能充分发挥自己的特长进一步改进工艺技术、提高性能。可以说SPARC是一个开放的体系结构标准，允许公众制造商的加入。1987年，Sun和TI公司合作开发了RISC微处理器-SPARC。后于1989年成立SPARC国际集团组织(网站：http://www.Sparc.org)，专门负责SPARC体系的开发认证工作。从最早的32位SPARC V7，到32位SPARC V8(哈佛结构)，一直发展到64位SPARC V9(超标量)，使SPARC体系的RISC微处理器得到广泛的发展。SPARC的推出为Sun赢得了高端微处理器市场的领先地位。Sun公司以其性能优秀的工作站闻名，这些工作站全都是采用Sun公司自己研发的SPARC芯片。
根据Sun公司未来的发展规划， 在64位UltraSparc处理器方面，主要有3个系列，首先是可扩展式S系列，主要用于高性能、易扩展的多处理器系统。目前UltraSparc 11IS的频率已达到750MHz。并且即将推出UhraSparc IVS和UltraSparc VS等型号。其中UltraSparc IVs的频率为1GHz，UltraSparcVS则为1．5GHz。其次是集成式i系列，它将多种系统功能集成在一个处理器上，为单处理器系统提供了更高的效益。已经推出的UltraSparc 111i的频率达到700MHz，未来的UltraSparc IVi的频率将达到1GHz。最后是嵌入式e系列，为用户提供理想的性能价格比。嵌入式应用主要包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。Sun公司还将推出主频300、400、500MHz等版本的处理器。l999年6月，Ultra SPARCⅢ首次亮相，它采用先进的0．18mm工艺制造。该处理器全部采用64位结构和VIS指令集，时钟频率从600MHz起，可用于高达1000个处理器协同工作的系统上。Ultra SPARCⅢ的内存带宽达到2．4GB／s。还配备了8MB的二级高速缓存，性能很好。Ultra SPARCⅢI和Solaris操作系统的应用实现了百分之百的二进制兼容，完全支持客户的软件投资，得到众多的独立软件供应商的支持。不仅如此，为了帮助原设备厂商尽快把产品推向市场，集中精力开发产品，Sun公司还开发了Sparc处理器主板，包括ATX和CompactPCI两个系列。
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京ICP备号-1 京公网安备02号RISC技术特点与优缺点--《计算机与现代化》1995年04期
RISC技术特点与优缺点
【摘要】：本文较详细地介绍了ＲＩＳＣ（ＲｅｄｕｃｅｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＣｏｍｐｕｔｅｒ）系统的基本概念、特点和优缺点，并与ＣＩＳＣ（ＣｏｍｐｌｅｎｘＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＣｏｍｐｕｔｅｒ）系统作了适当比较。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TP303【正文快照】：
ＲＩＳＣ技术特点与优缺点董军，石教英，马小虎（浙江大学ＣＡＤ＆ＣＧ国家重点实验室杭州３１００２）【摘要】本文较详细地介绍了ＲＩＳＣ（ＲｅｄｕｃｅｄＩｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＳｅｔＣｏｍｐｕｔｅｒ）系统的基本概念、特点和优缺点，并与ＣＩＳＣ（Ｃｏｍｐｌｅｎｘ
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京公网安备75号RISC体系结构特点及其关键技术
RISC体系结构特点及其关键技术
发布时间： 7:43:15
编辑：www.fx114.net
本篇文章主要介绍了"RISC体系结构特点及其关键技术"，主要涉及到RISC体系结构特点及其关键技术方面的内容，对于RISC体系结构特点及其关键技术感兴趣的同学可以参考一下。
RISC的英文全称为“Reduced Instruction Set Computing”，中文即“精简指令集”，它的指令系统相对简单，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分指令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。
卡内基梅隆大学这样定义RISC的特点为：1、大多数指令在单周期内完成2、采用LOAD/STORE结构。因为访问存储器指令所需要的时间比较长，在指令系统中要尽量减少这类指令，所以RISC指令中只保留不可再少的LOAD/STORE两种存储器访问指令。3、硬布线控制逻辑。使得大多数指令在单周期内执行完成，以减少为程序技术中的指令解释开销。4、减少指令和寻址方式的种类5、固定的指令格式6、译码优化
其实目前RISC还具有以下特点1、面向寄存器结构2、注重提高流水线的执行效率，尽量让减少流水线断流，提高流水线效率3、优化编译技术
下面介绍一下RISC中的关键技术1、延时转移技术：在RISC处理机中采用流水线工作方式，取指令和执行指令并行工作，那么当遇到条件转移指令时，流水线可能断流。为了尽量保证流水线的执行效率，在转移指令之后插入一条有效的指令，而转移指令好像被延时了，这样了技术即为延迟转移技术。通常指令序列的调整由编译器自动进行。需要注意的是：调整指令序列是不能改变原有程序的数据关系；被移动的指令不破坏机器的条件码。
2、指令取消技术由于采用指令延迟技术中，遇到条件转移指令时，调整指令序列比较困难，采用了指令取消技术。所有转移指令和数据变换指令都可以决定待执行指令是否应该取消。为了提高执行效率，采用取消规则为：如果向后转移（转移的目标地址小雨当前程序计数器PC值），则转移不成功时取消下一条指令，否则执行下一条指令；如果向前转移，则相反，在转移不成功时执行下一条指令，否则取消。
3、重叠寄存器窗口技术由于RISC的指令系统比较简单，通常采用一段子程序来实现。因此RISC中的CALL和RETURN非常多，而且都需要通过堆栈操作保存前一过程指针、数据等。为了尽量减少因为CALL和RETURN操作访问存储器的量，提出了重叠寄存器窗口技术。基本思想：在处理器中设置一个数量较大的寄存器堆，并划分成窗口。每个过程使用其中的三个窗口和一个公共窗口，而在这些窗口中有一个窗口式前一个过程公用的，还有一个窗口是与后一个过程共用。与前一过程公用的窗口可以用来存放前一过程传递被本过程的参数。
4、指令流水调整技术为了保持指令流水线高效率，不断流，优化编译器必须分析程序的数据流和控制流。当发现指令有断流可能时，要调整指令顺序。有些可以通过变量重命名来消除的数据相关，要尽量消除。例如：ADD R1,R2,R3; (R1)+(R2)-&R3ADD R3,R4,R5; (R3)+(R4)-&R5MUL R6,R7,R3; (R6)*(R7)-&R3MUL R3,R8,R9; (R3)*(R8)-&R9调整指令后ADD R1,R2,R3; MUL R6,R7,R0; ADD R3,R4,R5; MUL R0,R8,R9; 调整指令后，速度可以提高一倍
5、硬件为主固件为辅指令系统采用为程序实现的优点：便于实现复杂指令，便于修改指令系统，增加机器的灵活性，但是速度慢。所以RISC一般采用硬件为主固件为辅的方法实现指令。
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新一代RISC微处理器ARM11的特点技术
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ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。该系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。本文将对全新的ARMv6架构进行介绍，并深入分析ARM11处理器的先进特点和关键技术。ARMv6结构体系实现新一代微处理器的第一步就是订立一个新的结构体系。这里所说的结构体系只是对处理器行为进行描述，并不包括具体地指定处理器是如何被建造的。
&&&&ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。　　该系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。　　本文将对全新的ARMv6架构进行介绍，并深入分析ARM11处理器的先进特点和关键技术。ARMv6结构体系　　实现新一代微处理器的第一步就是订立一个新的结构体系。这里所说的结构体系只是对处理器行为进行描述，并不包括具体地指定处理器是如何被建造的。结构体系的定义提供了处理器和外界（操作系统,应用程序和调试支持）的接口，从细节上说，处理器结构体系定义了指令集、编程模式和最近的存储器之间的接口。　　最新的ARM处理器架构—ARMv6，发布于2001年10月，它建立于过去十年ARM许多成功的结构体系基础上。同处理器的授权相似，ARM也向客户授权它的结构体系。比如，Intel的XScale就是基于ARMv5TE的处理器。本文也会就ARM11和Intel XScale的特点作一比较。&目标应用　　ARMv6架构是根据下一代的消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子产品等需求而制定的。ARM11的媒体处理能力和低功耗特点，特别适用于无线和消费类电子产品；其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用；另外，也在实时性能和浮点处理等方面ARM11可以满足汽车电子应用的需求。可以预言，基于AMRv6体系结构的ARM11系列处理器将在上述领域发挥巨大的作用。主要特点　　对于各种无线移动应用，毫无节制的提供高性能处理器是无用的。同成本控制类似，功耗的控制也是一个重要因素。　　ARM11系列处理器展示了在性能上的巨大提升，首先推出350M~500MHz时钟频率的内核，在未来将上升到1GHz时钟频率（如图2）。&　　ARM11处理器在提供高性能的同时，也允许在性能和功耗间做权衡以满足某些特殊应用。通过动态调整时钟频率和供应电压，开发者完全可以控制这两者的平衡。在0.13um工艺，1.2v条件下，ARM11处理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。　　ARM11处理器同时提供了可综合版本和半定制硬核两种实现。可综合版本可以让客户根据自己的半导体工艺开发出各有特色的处理器内核，并保持足够灵活性。ARM实现的硬核则是为了满足那些极高性能和速度要求的应用，同时为客户节省实现的成本和时间。　　为了让客户更方便地走完实现流程，ARM11处理器采用了易于综合的流水线结构，并和常用的综合工具以及RAM compiler良好结合，确保了客户可以成功并迅速的达到时序收敛。目前已有的ARM11处理器在不包含Cache的情况下面积小于2.7mm2，对于当前复杂的SoC设计来说，如此小的die size对芯片成本的降低是极其重要的。ARM11处理器在很多方面为软件开发者带来便利。一方面，它包含了更多的多媒体处理指令来加速视频和音频处理；另一方面，它的新型存储器系统进一步提高了操作系统的性能；此外，还提供了新指令来加速实时性能和中断的响应。　　再次，目前有很多应用要求多处理器的配置（多个ARM内核，或ARM+DSP的组合），ARM11处理器从设计伊始就注重更容易地与其他处理器共享数据，以及从非ARM的处理器上移植软件。此外，ARM还开发了基于ARM11系列的多处理器系统——MPCORE（由二个到四个ARM11内核组成）。优秀的性能　　ARM11处理器的超强性能是由一系列的架构特点所决定的。ARMv6—决定性能的基础ARMv6架构决定了可以达到高性能处理器的基础。　　总的来说，ARMv6架构通过以下几点来增强处理器的性能：　　?多媒体处理扩展　　使MPEG4编码/解码加快一倍　　音频处理加快一倍　　?增强的Cache结构　　实地址Cache　　减少Cache的刷新和重载　　减少上下文切换的开销　　?增强的异常和中断处理　　使实时任务的处理更加迅速= 支持Unaligned和Mixed-endian数据访问　　使数据共享、软件移植更简单，也有利于节省存储器空间　　对绝大多数应用来说，ARMv6保持了100%的二进制向下兼容，使用户过去开发的程序可以进一步继承下去。ARMv6 保持了所有过去架构中的T（Thumb指令）和E（DSP指令）扩展，使代码压缩和DSP处理特点得到延续；为了加速Java代码执行速度的ARM Jazalle技术也继续在ARMv6架构中发挥重要作用。ARM11处理器的内核特点　　ARM11处理器是为了有效的提供高性能处理能力而设计的。在这里需要强调的是，ARM并不是不能设计出运行在更高频率的处理器，而是，在处理器能提供超高性能的同时，还要保证功耗、面积的有效性。ARM11优秀的流水线设计是这些功能的重要保证。&
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&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟