RISC指令集的五个周期

RISC(reduced instruction set computer,精简指令集计算机)简称为精简指令集。RISC把执行指令的精力主要放在了经常使用的指令上面。本文主要介绍了在RISC指令集中一条指令的五个主要执行CC(Clock Cycle,时钟周期)的主要涵义以及内容。

这五个时钟周期分别为:IF(Instruction fetch,取指令),ID(Instruction decode/register fetch cycle,指令解码),EX(Execution/effective address cycle,执行),MEM(Memory access,内存访问), WB(Write-back cycle,写回)。

IF:根据PC(program counter,程序计数器)中所存储的内存地址,在内存中找到该地址所指向的指令,并将该指令存储在寄存器中。同时,PC指向下一条指令,完成这个操作要求PC加4(以32位指令集为例,如果是64位则要加8)。

ID : 操作从IF阶段获取来的指令。将指令解码,最终找到指令所需要的寄存器中存储的数据。如果该指令只一条跳转指令,那么在这一阶段需要根据跳转指令的意义对获取的值进行比较,如果比较结果为true则执行跳转,如果比较结果为false则不执行跳转,继续下一条指令的执行;如果指令需要对指令中某些位进行填充,也在ID阶段完成,比如对高四位进行填充以满足指令结果是32位;计算可能跳转的指令的地址。

EX : ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)对ID阶段的结果进行计算。在ID阶段已经获得了指令计算所需要的寄存器的值,那么在EX阶段需要根据指令的意义对这些寄存器的值进行计算。计算根据指令的不同变得不同。主要有三种类型的ALU计算:1. ALU根据ID中补充的地址,对有效的地址单元进行计算,最终得到所需要的内存的地址;2. 根据指令的意义,对从寄存器中获取的值,进行操作,比如对两个寄存器的值进行相加;3. 根据寄存器的值以及补充的值,计算出立即数的结果。

MEM:如果当前指令是Load指令,那么,根据EX计算出的内存地址,从内存中获取对应的值;如果当前指令是store,那么,根据EX计算出的内存地址和寄存器的值,将寄存器的值存入该内存地址中。其他的指令一般不会设计内存的访问。

WB:将计算出来的最终的寄存器的值写入到register file(寄存器文件)中。这部操作包括从内存中获取的值以及通过算术运算得到的结果。

以上五个时钟周期便是一条RISC指令执行的主要步骤。