采用多級指令流水線結(jié)構(gòu)采用流水線技術(shù)可使每一時刻都有多條指令重疊執(zhí)行，以減小 CPI 的值，使 CPU 不浪費(fèi)空周期。實(shí)例： Pentium Ⅱ /Pro/Celeron 可同時發(fā)出執(zhí)行五條指令， AMD - K6/K6 - 2 可同時發(fā)出六條指令。機(jī)器中使用頻率高的簡單指令及部分復(fù)雜指令這樣可減小時鐘周期數(shù)量，提高 CPU 速度，其實(shí)質(zhì)是減小 CPI 下的值實(shí)現(xiàn)。實(shí)例：選取運(yùn)算指令、加載、存儲指令和轉(zhuǎn)移指令作主指令集。采用加載 (Load) 、存儲 (Store) 結(jié)構(gòu)只允許 Load 和 Store 指令執(zhí)行存儲器操作，其余指令均對寄存器操作。實(shí)例： Amd - K6/K6 - 2 、 P Ⅱ /Celeron/Pro 均支持對寄存器的直接操作和重新命名，并大大增加通用寄存器的數(shù)量。延遲加載指令和轉(zhuǎn)移指令由于數(shù)據(jù)從存儲器到寄存器存在二者速度差、轉(zhuǎn)移指令要進(jìn)行入口地址的計(jì)算，這使 CPU 執(zhí)行速度大大受限，因此， RISC 技術(shù)為保證流水線高速運(yùn)行，在它們之間允許加一條不相關(guān)的可立即執(zhí)行的指令，以提高速度。實(shí)例：主要體現(xiàn)于預(yù)測執(zhí)行、非順序執(zhí)行和數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫?，?Intel P54/55C 不支持，像 K6 - 2 、 P Ⅱ均支持。采用高速緩存 (cache) 結(jié)構(gòu)為保證指令不間斷地傳送給 CPU 運(yùn)算器， CPU 設(shè)置了一定大小的 Cache 以擴(kuò)展存儲器的帶寬，滿足 CPU 頻繁取指需求，一般有兩個獨(dú)立 Cache ，分別存放“指令+數(shù)據(jù)”。實(shí)例： P Ⅱ /Celeron:16K + 16K ， AMD - K6/K6 - 2 為 32K + 32K ， Cyrix M Ⅱ :64K( 實(shí)也為 2 個 32K Cache ，此作共享 Cache) ， P Ⅱ還加了 L2 Cache，更是大幅提高了 CPU 速度。
RISC的特點(diǎn)是指令及其格式精少，操作和控制簡捷。具體有下列幾個方面 [2] 。精簡指令集RISC結(jié)構(gòu)采用精簡的，長短劃一的指令集，使大多數(shù)的操作獲得了盡可能高的效率。某些在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中要用多周期指令實(shí)現(xiàn)的操作，在RISC結(jié)構(gòu)中，通過機(jī)器語言編程，就代之以多條單周期指令了。精簡的指令集大大改善了處理器的性能，并推動了RISC的設(shè)計(jì)。對于到底精簡到什么程度的問題，沒有一定的回答。將現(xiàn)有RISC系統(tǒng)與CISC系統(tǒng)作一對比，便可見大概。通常，對RISC而言：
指令數(shù)少，不超過128條。
尋址方式少，不超過4種。
指令格式少，不超過4種。
處理關(guān)于擴(kuò)充指令集的建議是非常慎重的，要經(jīng)過認(rèn)真的權(quán)衡，驗(yàn)證，在看它們是否真正提高計(jì)算機(jī)的性能。例如，MIPS采用了一條規(guī)則：增加一條指令必須使性能在一定的應(yīng)用范圍內(nèi)得到1%的增益，否則這條指令將被拒絕。指令時鐘周期，指令長度相等如果每一條指令要執(zhí)行的任務(wù)既簡單又明了，則執(zhí)行每一條指令所的時間可以被壓縮周期數(shù)也可減少。RISC的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個機(jī)器周期執(zhí)行一條指令，使得系統(tǒng)操作更加有效。接近這個目標(biāo)的技術(shù)包括指令流水線及特定的裝/存結(jié)構(gòu)等。典型的指令可包括取指、譯碼、執(zhí)行和存裝果等階段。單周期指可通過讓所有指令為標(biāo)準(zhǔn)長短來實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)指令長短應(yīng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本字長相等，通常與系統(tǒng)中數(shù)據(jù)線數(shù)相等。在任何取指周期，完整的單個指令要傳給CPU。例如，如果基字長是32位，且系統(tǒng)總線的數(shù)據(jù)部分是32線，則標(biāo)準(zhǔn)指令長度是32位。要讓所有指令的執(zhí)行時間一致較困難。有些指令，包含簡單的在CPU寄存器上的邏輯操作(清寄存器等)，則可容易地在一個CPU時鐘周期內(nèi)執(zhí)行;其它指令可能包含內(nèi)存存取(對內(nèi)存的讀寫、取數(shù)等)或多周期操作(乘、除等)，可能無法在單周期內(nèi)執(zhí)行。這給設(shè)計(jì)者提出了這樣的要求;讓大多數(shù)經(jīng)常使用的指令得以在一個單周期內(nèi)執(zhí)行。指令流水線減少執(zhí)行一條指令所需周期數(shù)的方法是重疊執(zhí)行多條指令。指令流水線采用這樣的工作方式：將每條指令的執(zhí)行分為幾個離散部分，然后同時執(zhí)行多條指令。任何指令的取指和執(zhí)行階段占據(jù)相同時間，理想的是一個單周期。這可說是RISC最重要的一條設(shè)計(jì)原則。所有從內(nèi)存到CPU執(zhí)行的指令，都遵循一種恒定的流的形式。每條指令都以同樣的步調(diào)執(zhí)行，無等待的指令。CPU始終是忙的。達(dá)到流水線操作的必要條件是：
標(biāo)準(zhǔn)的，固定長短的指令，它與計(jì)算機(jī)字長和數(shù)據(jù)線的字長相等。
所有指令的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行時間，最好在一個單CPU周期內(nèi)。
例SPARC芯片等采用了取指、譯碼、執(zhí)行和寫入結(jié)果四級流水線結(jié)構(gòu)，以最大限度來提高處理器性能。在每一個時鐘周期的頭上，都可以開始執(zhí)行一條新的指令，這就保證了每個機(jī)器周期從存貯器平均取出一條新的指令，從而，總體看，大多數(shù)指令能在單周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)。指令流水線技術(shù)可以比作一條裝配線—指令象是被加工的產(chǎn)品一樣，從一道工序流到下一道工序，一直到它執(zhí)行完為止。因此，指令流水線利用一個等于其流水線深度的因子，來減少指令周期數(shù)是可能的，但這樣的話，要求流水線始終充滿有用指令且沒有任何東西阻礙指令通過流水線，這樣的需求給結(jié)構(gòu)增加了一定的負(fù)擔(dān)。例如，對于ALU等資源的競爭，阻止了流水線中指令的流動。長短不一的執(zhí)行時間所引起的不良后果更是顯而易見，這也是為什么RISC要定義一個有前面所述特點(diǎn)的指令集的原因。裝入和存數(shù)(LOAD/Store)結(jié)構(gòu)執(zhí)行與內(nèi)存有關(guān)的操作指令，不是要求增加每個周期的時間，就是要求增加指令的周期數(shù)，二者必取其一。因?yàn)檫@些指令要計(jì)算操作數(shù)的地址，將所需的操作數(shù)從內(nèi)存中讀出，計(jì)算得出結(jié)果，再把結(jié)果送回內(nèi)存，所以它們執(zhí)行的時間就長得多。為了消除這種指令的負(fù)作用，RISC采用了這樣的裝入和存數(shù)結(jié)構(gòu)：只有裝入(Load)和存數(shù)(Store)指令才去訪間內(nèi)存，所有其它操作只訪問保存在處理器寄存器中的操作數(shù)。其優(yōu)點(diǎn)在于：
減少訪問內(nèi)存的次數(shù)，降低了對內(nèi)存帶寬的要求。
將所有的操作限制于只針對寄存器，幫助了指令集的簡化。
取消內(nèi)存操作可使編釋器優(yōu)化寄存的分配更容易—這種特性減少對內(nèi)存的存取，同時也減少了每一任務(wù)的指令數(shù)。
所有這些都有助于RISC實(shí)現(xiàn)的每個周期執(zhí)行一條指令的目標(biāo)。盡管如此，裝入和存數(shù)指令仍阻礙著IRSC設(shè)計(jì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。用優(yōu)化編譯技術(shù)處理裝入指令和分支指令的延遲，有助問題的解決。優(yōu)化編譯技術(shù)雖不是專門面向RISC結(jié)構(gòu)的，但優(yōu)化編譯器依賴于RISC結(jié)構(gòu)完成其出色的任務(wù)，RISC結(jié)構(gòu)又依賴于優(yōu)化編譯器得到它們更完善的性能。編釋器要能分析數(shù)據(jù)和控制流，并在此基礎(chǔ)上調(diào)整指令的執(zhí)行順序，巧妙安排寄存器的用法。前一種作用可減少CPU的空閑時間，后一種作用可以提高寄存器中所保存的數(shù)據(jù)的可再用率，減少訪存次數(shù)，縮短數(shù)據(jù)通路的長度。擁有較大寄存器組為了便于實(shí)現(xiàn)多數(shù)指令在寄存器之間的操作，即所謂的寄存器到寄存器操作，必須有足夠量的CPU通用寄存器。足量的寄存器使得在隨后操作中需作為操作用的中間結(jié)果暫存在CPU寄存器中，因而就減少了對內(nèi)存的裝入和存數(shù)，加快了運(yùn)行速度。工業(yè)化RISC系統(tǒng)中至少采用32個通用CPU寄存器。采用硬連線控制由于微程序設(shè)計(jì)給設(shè)計(jì)者提供的靈活性，許多CISC系統(tǒng)是微程序控制的。不同的指令通常具有不同長度的微程序，這意味著每條指令執(zhí)行的周期數(shù)不一樣，這與所有指令一致的、流線的處理原則相矛盾。但這可由硬連線控制來解決，而且速度會更快。因此RISC應(yīng)該是硬連接線控制的。當(dāng)每條指令與一單條微指令有一對一相相符合的關(guān)系時可有例外，也就是每個微程序由一單個控制字組成。這種設(shè)計(jì)可與用硬連線控制一樣快，一樣高效，并使設(shè)計(jì)者得益于微程序設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。采用硬連線控制，可使RISC系統(tǒng)控制器簡單。設(shè)計(jì)的簡單又使機(jī)器的布局更加合理，使得設(shè)計(jì)者可以集中精力去優(yōu)化那些剩下的，為數(shù)不多的，但又很關(guān)鍵的處理器特性。簡化的結(jié)構(gòu)使芯片上面積資源緊張的狀態(tài)得以緩解，一些對性能至關(guān)重要的結(jié)構(gòu)，象大的寄存器元件，轉(zhuǎn)換查找緩存(TLB)S協(xié)處理器和乘除單元都可以裝在同一塊芯片上。這些附加的資源又使處理器增加了很大的性能優(yōu)勢。事實(shí)上，RISC并非一定嚴(yán)格地完全具備上述特點(diǎn)，有些稱作RISC型的系統(tǒng)甚至違背了上述某方面。上述特點(diǎn)應(yīng)被當(dāng)作一種指導(dǎo)原則來解釋RISC的性質(zhì)。放寬點(diǎn)講，滿足大部分這些特點(diǎn)的系統(tǒng)就能被看作RISC。
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