| 词条 | RISC |
| 释义 | § 概念分析 RISC RISC概念已经引领了微处理器设计的一个更深层次的思索。设计中必须考虑到：指令应该如何较好的映射到微处理器的时钟速度上（理想情况下，一条指令应在一个时钟周期内执行完）；体系结构需要多“简单”；以及在不诉诸于软件的帮助下，微芯片本身能做多少工作等等。 除了性能的改进，RISC的一些优点以及相关的设计改进还有： @如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂，那么其开发与测试将会更快。 @使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现，使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。 @RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。 比起从前，高级语言编译器能产生更有效的代码，因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。 除了RISC，任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算（CISC）。 RISC典型范例如：MIPS R3000、HP—PA8000系列，Motorola M88000等均属于RISC微处理器。 § 主要特点 RISC微处理器不仅精简了指令系统，采用超标量和超流水线结构；它们的指令数目只有几十条，却大大增强了并行处理能力。如：1987年Sun Microsystem公司推出的SPARC芯片就是一种超标量结构的RISC处理器。而SGI公司推出的MIPS处理器则采用超流水线结构，这些RISC处理器在构建并行精简指令系统多处理机中起着核心的作用。 RISC处理器是当今UNIX领域64位多处理机的主流芯片。 性能特点一：由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行； 性能特点二：采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理速度； 性能特点三：采用缓存—主机—外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 RISC应用特点；由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快，世界上绝大部分UNIX工作站和服务器厂商均采用RISC芯片作CPU用。如原DEC的Alpha21364、IBM的Power PC G4、HP的PA—8900、SGI的R12000A和SUN Microsystem公司的Ultra SPARC ║。 运行特点： RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低，功率消耗少，温升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。单一指令周期容纳多部并行操作。在RISC微处理器发展过程中。曾产生了超长指令字（VLIW）微处理器，它使用非常长的指令组合，把许多条指令连在一起，以能并行执行。VLIW处理器的基本模型是标量代码的执行模型，使每个机器周期内有多个操作。有些RISC处理器中也采用少数VLIW指令来提高处理速度。 RISC 和CISC 是目前设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有： （1） 指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 （2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。 （3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。 （4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。 （5） CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 （6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。 （7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 （8） 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。 § cpu发展初始 RISC 微处理器发展的第一阶段 CPU是怎样从无到有，并且一步步发展起来的。 根据大家的记忆，笔者把它分为了几个发展阶段。注意，这并非按照教科书去分，而是我们的记忆。 Intel公司成立于1968年，格鲁夫（左）、诺依斯（中）和摩尔（右）是微电子业界的梦幻组合RISC Intel 4004 1971年1月，Intel公司的霍夫(Marcian E.Hoff)研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。 4004当时只有2300个晶体管，是个四位系统，时钟频率在108KHz，每秒执行6万条指令（0.06 MIPs)。功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在Busicom计算器上。RISC 格鲁夫 “只有偏执狂才能生存” 1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001 ROM芯片、4002 RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器），其中4004（上图）包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。 RISC Intel 8008 1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。RISC Intel 8080 ，第二代微处理器 1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。RISC 摩尔定律 摩尔预言，晶体管的密度每过18个月就会翻一番，这就是著名的摩尔定律。第一台微型机器第一台微型计算机：Altair 8800 1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair 8800，售价375美元，带有1KB存储器。这是世界上第一台微型计算机。RISC1976年,Intel 发布8085处理器 当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。Zilog公司于1976年对8080进行扩展,开发 出Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。直到今天，Z80仍然是8位处理器的巅峰之作，还在各种场合大卖特卖。CP/M就是面向其开发的操作系统。许多著名的软件如:WORDSTAR 和DBASE II都基于此款处理器。RISCWordStar 处理程序WordStar是当时很受欢迎的应用软件，后来也广泛用于DOS平台。 § CPU的制造过程 1.切割晶圆 所谓的“切割晶圆”也就是用机器从单晶硅棒上切割下一片事先确定规格的硅晶片，并将其划分成多个细小的区域，每个区域都将成为一个CPU的内核(Die)。 2.影印（Photolithography） 在经过热处理得到的硅氧化物层上面涂敷一种光阻(Photoresist)物质，紫外线通过印制着CPU复杂电路结构图样的模板照射硅基片，被紫外线照射的地方光阻物质溶解。RISC 3.蚀刻(Etching) 用溶剂将被紫外线照射过的光阻物清除，然后再采用化学处理方式，把没有覆盖光阻物质部分的硅氧化物层蚀刻掉。然后把所有光阻物质清除，就得到了有沟槽的硅基片。 4.分层 为加工新的一层电路，再次生长硅氧化物，然后沉积一层多晶硅，涂敷光阻物质，重复影印、 蚀刻过程，得到含多晶硅和硅氧化物的沟槽结构。 5.离子注入(IonImplantation) 通过离子轰击，使得暴露的硅基片局部掺杂，从而改变这些区域的导电状态，形成门电路。接下来的步骤就是不断重复以上的过程。一个完整的CPU内核包含大约20层，层间留出窗口，填充金属以保持各层间电路的连接。完成最后的测试工作后，切割硅片成单个CPU核心并进行封装，一个CPU便制造出来了。 § CPU的常识 第一介绍的是PC里面的心脏：CPU(Central Processing Unit)，被称呼为中心处理器或者Microprocessor微处理器。CPU是计算机的核心，其重要性好比心脏对于人一样。实际上，处理器的作用和大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板芯片组则更像是心脏，它控制着数据的交换。CPU的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件，CPU的速度决定了你的计算机有多强大，当然越快、越新的CPU会花掉你更多的钱。 CPU从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长，CPU可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以及六十四位微处理器等等。 如今，Intel的CPU和其兼容产品统治着微型计算机——PC的大半江山，但是除了Intel或AMD的CPU，还是你可能听说过的其他一些CPU，如HP的PA-RISC,IBM的Power4和Sun的UltraSparc等，只是它们都是精简指令集运算（RISC）处理器，使用Unix的专利操作系统，例如IBM的AIX和Sun的Solaris等。 虽然设计方式和工作原理的过程有区别，但不同处理器依然有很多相似之处。从外表看来，CPU常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不过，你看到的不过是CPU的外衣——CPU的封装。而内部，CPU的核心是一片大小通常不到1/4英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为die，核心)。在这块小小的硅片上，密布着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运算和操作。 RISC 左边是揭了盖可以看到核心的处理器 硅能成为生产CPU核心的半导体材料主要是因为其分布的广泛性和价格便宜。此外，硅可以形成品质极佳的大块晶体，通过切割，得到直径8英寸甚至更大而厚度不足1毫米的圆形薄片——晶片(也叫晶圆)。一片晶片可以划分切割成许多小片，每一小片就是一块单独CPU的核心。当然，在切割之前有许多处理过程要做。 Intel发布的第一颗处理器4004仅仅包含2000个晶体管，而目前最新的Intel Pentium 8400EE处理器包含超过2.3亿个晶体管，集成度提高了十万倍，这可以说是当今最复杂的集成电路了。与此同时，你会发现单个CPU的核心硅片的大小丝毫没有增大，甚至变得更小了，这就要求不断地改进制造工艺以便能生产出更精细的电路结构。如今，最新的处理器采用的是0.065微米技术制造，也就是常说的0.065微米线宽。 RISC 840EE+HT（左边）65nm(右） Pentium 840EE处理器采用90nm制程的Smithfield核心，每核心1MB二级缓存，800MHZ的FSB，支持EDB防毒和EMT64T，可以搭配64位WinXP，90纳米制程，206平方毫米芯片面积，2.3亿晶体管。Pentium 4 643 (3.2GHz)采用65nm工艺的CedarMill，集成2MB二级缓存，单核心，支持HT、EM64T，VT。 需要说明的是，线宽是指芯片上的最基本功能单元——门电路的宽度，因为实际上门电路之间连线的宽度同门电路的宽度相同，所以线宽可以描述制造工艺。缩小线宽意味着晶体管可以做得更小、更密集，可以降低芯片功耗，系统更稳定，CPU得以运行在更高的频率下，而且在相同的芯片复杂程度下可使用更小的晶圆，于是成本降低了。 随着线宽的不断降低，以往芯片内部使用的铝连线的导电性能将不敷使用，AMD在其K7系列开始采用铜连线技术。而现在这一技术已经得到了广泛应用。 |
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