RISC处理器

基本思想

　　体：指令系统结构

　　操作：简单

　　数据：Load-Store结构，寻址方式简单

　　编码：定长

　　相：实现与使用方式

　　简化硬件，提高主频

　　指令流水线技术：寄存器操作容易解决相关编译技术

　　用：性能及兼容性

　　性能：每条指令周期数差不多，主频高，CPI高

　　流水及多发射技术在提高性能的前提下不影响兼容性

基本特性

　　32位定长指令

　　32个32位通用寄存器

　　三寄存器操作数运算指令

　　Load-Store指令，基址+偏移量寻址方式

　　简单转移条件

　　Delay-Branch

发展史

　　1964年CDC公司推出的CDC 6600是台超级计算机，具备了RISC的一些基本特征

　　CDC 6600的设计者认识到为了实现有效的流水技术，需要简化体系结构

　　Load-Store结构

　　记分板(Score-Boarding)动态流水线调度

　　乱序执行(Out-of-Order)技术

　　1976年的Cray-1向量机使用了与CDC 6600类似的想法

　　Cray是CDC 6600的主要设计者之一

　　上述简化结构以高效实现的想法在60-70年代没有受到小型机和微处理器设计者的重视

　　1968年John Cocke在IBM的San Jose研究中心开始ASC(Advanced Scientific Computer)项目的研究

　　基本思想是让编译器做更多的指令调度以减少硬件复杂度

　　还提出了每个周期发射多条指令的思想

　　ASC计划后来被取消，Cocke在1971年到Future System

　　1975年Cocke到IBM的Yorktown研究中心开始研制IBM 801，801是最早开始设计的RISC处理器，Cocke获得了Eckert-Mauchly和Turing奖。

　　801是PowerPC的前身

　　比801稍晚开始的有Patterson在Berkeley的RISC-I及RISC-II与Hennessy在Standford的MIPS项目，这两个大学的研究生曾参与801项目的研究，后来返回大学。

　　RISC-II是SPARC的前身，MIPS项目是MIPS处理器前身

　　801的项目经理Joel Birnbaum到HP创立了PA-RISC

　　DEC在推出Alpha之前曾经使用MIPS处理器三年。1994年Intel和HP宣布使用相同的系统结构。

　　从上述发展过程不难解释刚开始时五个RISC处理器的相似性，后来每个RISC处理器有了不同的发展，如Alpha的指令简单，超流水结构，流水级多，主频高，“a speed demon”

　　PowerPC指令功能强，灵活，甚至有点象CISC，“a brainiac”

主流介绍

　　目前,比较有影响的 RISC 处理器产品有 Compaq 公司的 Alpha,HP 公司的 PA-RISC,IBM 公司的 Power PC,MIPS 公司的 MIPS 和 Sun 公司的 Sparc.下面将分别介绍它们的有关情况.

　　Alpha 处理器

　　Alpha 处理器最早由 DEC 公司设计制造,在 Compaq 公司收 购 DEC 之后,Alpha 处理器继续得到发展,应用于许多的 Compaq 服务器上.从 1995 年开始有 21164 芯片,那时的工艺为 0.5mm,主频达到 200MHz.1998 年,推出新型号 21264,当时的 主频是 600MHz. 目前,的 21264 芯片主频达到 1GHz,工艺为 0.18mm. 在该芯片里面集成了 1500 万个晶体管.它里面有 4 个整数运算 单元和 2 个浮点计算单元.21264 芯片具有完善的指令预测能力 和很高的存储系统带宽(超过 1GB/s),并且其中增加了处理视 频信息的功能,使其多媒体处理能力增强.

　　21264 芯片保持了 Alpha 处理器可以运行多种操作系统的 特点,其中包括 Tru64 Unix,OpenVMS 和 Linux 等,而在这些系 统中,已经有许多成熟的应用程序,这也是 Alpha 处理器的一个 优势.

　　目前,Compaq 公司正在开发新一代的处理器 EV7 和 EV8, 其主频分别为 1.25GHz 和 1.65GHz,工艺则分别为 0.18mm 和 0.13mm.新型处理器的重点将侧重于引入系统级的特征,如满足 复杂工作负载和大规模 SMP 的需求.

　　MIPS 处理器

　　MIPS 技术公司是一家设计制造高性能,次及嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂商. RISC 处理器方面占有重要地位. 在 1984 年,MIPS 计算机公司成立.1992 年,SGI 收购了 MIPS 计算机公 司.1998 年,MIPS 脱离 SGI,成为 MIPS 技术公司.

　　MIPS 公司设计 RISC 处理器始于 80 年代初,1986 年推出 R2000 处理器,1988 年推出 R3000 处理器,1991 年推出款 64 位商用微处理器 R4000.之后,又陆续推出 R8000(于 1994 年),R10000(于 1996 年)和 R12000(于 1997 年)等型号. 之后,MIPS 公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统.1999 年,MIPS 公司发布 MIPS 32 和 MIPS 64 架构标准,为未来 MIPS 处理器的开发奠定了基础.新的架构集成了所有原来 MIPS 指令 集,并且增加了许多更强大的功能.MIPS 公司陆续开发了高性 能,低功耗的 32 位处理器内核(core)MIPS 32 4Kc 与高性能 64 位处理器内核 MIPS 64 5Kc.2000 年,MIPS 公司发布了针对 MIPS 32 4Kc 的新版本以及未来 64 位 MIPS 64 20Kc 处理器内核.

　　为了使用户更加方便地应用 MIPS 处理器,MIPS 公司推出 了一套集成的开发工具, 称为 MIPS IDF Integrated Development ( Framework),特别适合嵌入式系统的开发.

　　PA-RISC 处理器

　　HP 公司的 RISC 芯片 PA-RISC 于 1986 年问世.目前,他们 正在开发 HP 的 64 位超标量处理器 PA-8000 系列. 同时,HP 公 司与 Intel 公司合作开发的下一代芯片 IA-64, 在与原来 PA-RISC 和 Intel x86 系列芯片兼容的基础上, 性能更会有飞跃性的提高.

　　PA-8000 系列芯片是从 1996 年开始提供的.第 1 款芯片的 型号为 PA-8000, 主频达 180MHz, 后来陆续推出 PA-8200, PA-8500 和 PA-8600 等型号.

　　HP 公司正在开发 64 位微处理器 PA-8700. 此芯片将于 2001 年上半年正式投入服务器和工 作站的使用.这种新型处理器的设计主频将达到 800MHz 以上.PA-8700 使用的工艺是 0.18mm 绝 缘硅(Silicon-On-Insulator,SOI)铜 CMOS 工艺,采用 7 层铜 导体互连,芯片上的高速缓存达到 2.25MB,比 PA-8600 增加了 50%.这种新的 0.18mm 工艺降低了电压,从而使工作在较高频率 下的芯片大大降低了功耗,工作温度也较低.此外,这种工艺使 芯片几何尺寸更小,主频更高.因此,PA-8700 计算速度高达每 秒 32 亿次运算.

　　根据 HP 公司的规划, 未来还将推出 PA-8800 和 PA-8900 处 理器, 其主频分别达到 1GHz 和 1.2GHz. PA-RISC 同时也是 IA-64 的基础.在未来的 IA-64 芯片中,继续保持许多 PA-RISC 芯片的 重要特性,包括 PA-RISC 的虚拟存储架构,统一数据格式,浮点 运算,多媒体和图形加速等.

　　PowerPC 处理器

　　PowerPC 架构的特点是可伸缩性好,方便灵活.PowerPC 处 理器品种很多,既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核, 应用范围非常广泛, 从高端的工作站, 服务器到桌面计算机系统, 从消费类电子产品到大型通信设备,无所不包.

　　处理器芯片主要型号是 PowerPC 750,它于 1997 年研制成 功,的工作频率可以达到 500MHz,采用先进的铜线技术. 该处理器有许多品种,以便适合各种不同的系统.包括 IBM 小型 机,苹果电脑和其他系统.

　　嵌入式的 PowerPC 405(主频为 266MHz) 和 PowerPC 440(主频为 550MHz)处理器内核 可以用于各种集成的系统芯片(system-on-a-chip,SOC)设备 上,在电信,金融和其他许多行业具有广泛的应用.

　　Sparc 处理器

　　Sun 公司以其性能的工作站闻名,这些工作站的心脏 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, 64 位 UltraSparc 处理器方面, 在 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 Ⅲs 的频率已经达到 750GHz.将推出 UltraSparc Ⅳs 和 UltraSparc Ⅴs 等型号. 其中 UltraSparc Ⅳs 的频率为 1GHz,UltraSparc Ⅴs 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 Ⅲi 的频率达到 700GHz,未来的 UltraSparc Ⅳi 的频率将达到 1GHz.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.

　　1999 年 6 月, UltraSparc Ⅲ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. UltraSparc Ⅲ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.UltraSparc Ⅲ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, 公司还开发了 Sparc 处理器主板, Sun 包括 ATX 和 CompactPCI 两个系列.