第二章
2.1 指令集结构发展概述
WinDLX 模拟器
IBM 资深专家 C.M.Amdahl 1964 年在介绍 IBM 360 系统时首先提出计算机系统结构(computer architecture)的概念:计算机系统结构是程序员所看到的计算机的属性,即概念性结构与功能特性. 这些属性也就是机器语言程序设计者(或编译程序生成系统)为使其设计(或生成)的程序能在机 器上正确运行所必需遵循的计算机的属性,即计算机系统软硬件的界面,包括:数据表示,指令集 结构,中断系统,存储系统,I/O 结构等.其中指令集结构又包括寻址规则,寄存器定义和指令系统 等,它是 CPU 的外在表现形式,是计算机系统结构设计中的核心问题,是软硬件功能分配最主要的 界面,是计算机系统结构设计者,系统软件设计者和系统硬件设计者所共同关注的问题. Bill Joy(Sun Microsystems 公司首席科学家兼首席执行官)曾开玩笑地说,高速缓存(Cache) 是计算机科学中唯一重要的思想.事实上,高速缓存确实极大地影响了计算机系统结构的发展.另 外,多处理器互连架构也是系统结构研究的一个主要问题.但是,计算机系统结构研究得最多的还 是指令集结构.有一种观点认为,今天,CPU 周期已经非常富裕,受限的是数据的存取速度.我们 拭目以待. 在 ENIAC 时代,基于累加器的指令集结构是在硬件资源十分有限的条件下必然的选择.1963 年,Barton 和 Burroughs 的设计师们把 B5000 设计成了堆栈系统结构,堆栈最上面的两个元素被保 存在 CPU 中作为运算器的输入,而其他部分则保存在内存中.堆栈技术有很好的代码密度,但却只 提供了两个高速的存储位置.原始 IBM 360 的论文作者 Amdahl,Blaauw,Brooks 和原始 PDP-11 的 论文作者 Bell 等都反对堆栈的组织结构.1964 年的 IBM 360 首次提出"有相同系统结构的计算机系 列应该能够运行相同软件"的思想,是第一个基于寄存器的指令集结构,拥有寄存器-内存指令和有 限的内存-内存指令,360 被称为具有 360 度全方位的通用性,360 也因耗资 50 亿美元,远远超过当 时美国政府制造原子弹的"曼哈顿计划"的 20 亿美元而被称为"世纪豪赌" .而后者(PDP-11)则 是 CISC 的典型代表. 20 世纪 70 年代初,人们开始意识到软件价格的增长比硬件价格的增长要快,编译器和操作系 统越来越大,许多研究人员希望通过引入强有力的,基于软件的系统结构来缓解软件危机.DEC 的 VAX 系列因此闪亮登场,VAX 的设计目标是简化高级语言的编译,其指令集结构是 CISC 的典范, 有 300 多条指令,十几种寻址方式,指令字长度从 1 字节到 53 字节,具有高度的正交性,甚至允许 把高级语言的一条语句直接映射为一条机器指令.1991 年 Bhandarkar 和 Clark 给出了 VAX 与 RISC 计算机比较后有关缺点的大量分析,在技术上宣布了 VAX 的死刑.
1
20 世纪 80 年代初,计算机系统结构开始从为语言提供高级硬件支持的方向转移出来,为了提 高 CPU 执行指令的速度,RISC 应运而生.1975 年,IBM 801 开始研制,项目负责人 John Cocke 因 此获得 Eckert- Mauchly 奖和 Turing 奖.1980 年,Patterson 和他在 Berkeley 的同事们研发了 RISC-1 和 RISC-2.1981 年,Hennessy 和他在 Stanford 的同事们发表了介绍 MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline System)的文章.这些研究成果被工业界广泛采用,MIPS 系列是 RISC 的典型代 表. 值得一提的是 Intel 公司的 80x86 系列是在 CISC/RISC 的激烈竞争中坚持下来的唯一 CISC.一 方面保持二进制兼容性在商业上极具重要性,另一方面,微电子技术的迅速发展使得 Intel 可以在外 部支持 80x86 指令集,而在内部使用 RISC 指令集. DSP(数字信号处理)处理器的指令集结构和一般处理器的区别有以下几个方面:由于迭代算 法通常涉及到向量的点积,因而乘法和乘加指令相对比较重要;对数值错误很敏感;苛刻的实时要 求;流式数据;较高的数据带宽;可预测的简单内存访问模式;可预测的程序流程.早期 DSP 系统 结构的效率很高,但为了高性能和高效率生产的高度专用的指令集使得为这种指令集的处理器编写 编译器有很大的困难.到 1995 年左右,设计师开始使用高性能通用处理器和科学应用处理器的技术 来设计 DSP 新的指令集结构,使其有更高的并行度,更快的时钟频率,更简单的类 RISC 指令集, 如今 DSP 的系统结构很多,并且技术创新的速度也很快. 20 世纪 90 年代中有越来越多的设计人员转向了 SOC (system-on-chip) 虽然这种芯片不是处理 , 器,但处理器在很大程序上决定了芯片的性能. 2.2 WinDLX 简介 美国斯坦福大学计算机系 Hennessy 教授和加州伯克利分校计算机系 Patterson 教授是计算机系统 结构领域非常受人尊敬的学者和开拓者.John Hennessy 精通软硬件两个方面,是具有传奇色彩的 MIPS 编译器和几代 MIPS 硬件产品技术上的领导者.David Paterson 是 RISC 的最初提倡者之一, 他首创了 RISC 一词,定义了 RISC 的含义,是 Sun 公司 SPARC 处理器的主要顾问.他提出了 RAID (独立/廉价磁盘冗余阵列)的概念,推动了为海量数据服务器提供磁盘存储解决方案的工业革命, 并且还提出了 NOW(工作站网络)的概念.他们合著的著作《计算机系统结构-量化研究方法》是 他们对计算机组织,系统结构研究和实践的全面而系统的总结,是计算机学科的经典名著. 在这本书的很多地方我们会提到一种计算机的"机器语言",我们用的机器是一种假想计算机叫 做"MIX",MIX 非常类似于实际存在的计算机,也许更加优秀一些.MIX 是世界上第一台多元未饱 和的计算机.与许多机器一样,MIX 具有一个标识号码——1009.这个号码是由 16 种实际存在的 计算机的标识号码取算术平均值之后得到的.这 16 种机器都和 MIX 十分类似,使得我们可以在这

下一页