計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—第二章（指令系統(tǒng)）

指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的分類(lèi) 數(shù)據(jù)表示 尋址技術(shù) 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 綜合實(shí)例：MIPS指令集指令系統(tǒng)的分類(lèi)本章內(nèi)容根據(jù)CPU中操作數(shù)的存儲(chǔ)方法分類(lèi)（主要分類(lèi)準(zhǔn)則）根據(jù)指令中顯式操作數(shù)個(gè)數(shù)分類(lèi)根據(jù)操作數(shù)能否放在存儲(chǔ)器中分類(lèi)堆棧型指令系統(tǒng)累加器型指令系統(tǒng)寄存器型指令系統(tǒng)6 之 1以以C=A+B為例說(shuō)明不同指令系統(tǒng)的特點(diǎn)為例說(shuō)明不同指令系統(tǒng)的特點(diǎn)6 之 2 灰色塊：灰色塊： 操作數(shù) 黑色塊：黑色塊： 結(jié)果 TOSTOS： 棧頂三種指令系統(tǒng)的特點(diǎn)指令長(zhǎng)度短，代碼密度高，占用存儲(chǔ)空間小。代碼效率低，執(zhí)行效率不高。指令長(zhǎng)度短，代碼密度高，代碼效率高。執(zhí)行效率不高。指令簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，對(duì)編譯程序支持好。指令長(zhǎng)度長(zhǎng)。本章內(nèi)容現(xiàn)在通用寄存器型已成為主流結(jié)構(gòu)6 之 3通用寄存器型指令系統(tǒng)的分類(lèi)本章內(nèi)容 根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)2、3可以分為：6 之 4不同通用寄存器型指令系統(tǒng)的特點(diǎn)本章內(nèi)容6 之 5指令系統(tǒng)的選擇本章內(nèi)容 針對(duì)應(yīng)用需求，對(duì)指令中各屬性分布進(jìn)行分析，根據(jù)指令執(zhí)行效率確定指令集風(fēng)格 根據(jù)各種指令的各屬性分布確定寄存器數(shù)及操作數(shù)個(gè)數(shù) 必須考慮對(duì)OS和編譯程序的支持6 之 6數(shù)據(jù)表示 本章內(nèi)容 基本概念 基本數(shù)據(jù)表示 高級(jí)數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì)基本概念本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中可以使用和處理的各種數(shù)據(jù)的類(lèi)型，主要有：整數(shù)、布爾數(shù)、字符、文件、圖、表、樹(shù)、陣列、隊(duì)列、鏈表、棧、向量、串等。 能由硬件直接識(shí)別和引用（即有相應(yīng)運(yùn)算指令和有硬件支持）的數(shù)據(jù)類(lèi)型，例如：定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示、邏輯數(shù)據(jù)表示、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示等。 帶有結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)元素的集合，例如：串、隊(duì)列、棧、向量、陣列、鏈表、樹(shù)、圖等。3 之 1三者之間的關(guān)系本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 3 之 2 數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是數(shù)據(jù)類(lèi)型的子集； 數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)類(lèi)型中最常用、也是相對(duì)較簡(jiǎn)單，用硬件實(shí)現(xiàn)相對(duì)比較容易的； 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)表示。 確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型用數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問(wèn)題。結(jié) 論本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 3 之 3 數(shù)據(jù)類(lèi)型是指令系統(tǒng)的核心內(nèi)容，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確定： 基本數(shù)據(jù)表示本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、十進(jìn)制數(shù)、邏輯數(shù)、字符等。 支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率和性能/價(jià)格。 根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)各種參數(shù)、指標(biāo)。 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示的設(shè)計(jì)。2 之 1浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì) 浮點(diǎn)數(shù)格式 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值選擇 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)下溢處理 浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)計(jì)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 2 之 2浮點(diǎn)數(shù)格式兩個(gè)符號(hào)：:尾數(shù)符號(hào):階碼符號(hào)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示remmN1位位1位位q位位p位位mfefem兩個(gè)數(shù)值：兩個(gè)數(shù)值：:尾數(shù)的值尾數(shù)的值 :階碼的值階碼的值兩個(gè)基：兩個(gè)基：:尾數(shù)的基尾數(shù)的基:階碼的基階碼的基兩個(gè)字長(zhǎng)兩個(gè)字長(zhǎng)： :尾數(shù)的長(zhǎng)度尾數(shù)的長(zhǎng)度 :階碼的長(zhǎng)度階碼的長(zhǎng)度浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇 隨rm加大，范圍加大。 隨rm加大，個(gè)數(shù)增多。 隨rm加大，精度變低。 隨rm加大，損失變小。 隨rm加大，速度變快。 rm的選擇應(yīng)根據(jù)應(yīng)用需要來(lái)綜合平衡： m 尾數(shù)字長(zhǎng)較長(zhǎng)可以彌補(bǔ)精度的損失。 m 提高的精度可以彌補(bǔ)尾數(shù)字長(zhǎng)較短的不足。本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)下溢的處理 在浮點(diǎn)數(shù)操作（相加、相乘、右移等）過(guò)程中產(chǎn)生的下溢會(huì)造成精度的損失。 設(shè)計(jì)，有多種方法，不同的方法有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其出發(fā)點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合也不一樣，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。 截?cái)喾?舍入法 恒置“1”法 查表舍入法 本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)計(jì)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示 碼制可以采用原碼或補(bǔ)碼，數(shù)制可以采用整數(shù)或小數(shù)，基可以采用二進(jìn)制、四進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制或十六進(jìn)制。多數(shù)機(jī)器采用表示，尾數(shù)的基rm。 碼制可以采用移碼或補(bǔ)碼，數(shù)制采用整數(shù)，基re=2。一般機(jī)器都采用表示。2 之 1浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)計(jì)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示 在表數(shù)范圍和表數(shù)精度給定的情況下，如何確定最短的尾數(shù)字長(zhǎng)p和階碼字長(zhǎng)q。 階碼長(zhǎng)度q 影響表數(shù)范圍。尾數(shù)長(zhǎng)度p 影響表數(shù)精度。尾數(shù)基值rm 影響表數(shù)范圍、精度及數(shù)在數(shù)軸上分布離散程度。2 之 2高級(jí)數(shù)據(jù)表示本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 堆棧、向量、數(shù)組（隊(duì)列）、記錄、自定義數(shù)據(jù)表示等。 支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率和性能/價(jià)格。 自定義數(shù)據(jù)表示。2 之 1自定義數(shù)據(jù)表示本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 存在問(wèn)題 解決方法帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法數(shù)據(jù)描述符表示法2 之 2存在問(wèn)題本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示 在高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言之間存在著很大的語(yǔ)義差距（例如：），增加了編譯程序的負(fù)擔(dān)，能否在設(shè)計(jì)機(jī)器語(yǔ)言時(shí)，縮短與高級(jí)語(yǔ)言之間的差距？帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示 每個(gè)數(shù)據(jù)的格式為： 在B5000大型機(jī)中，每個(gè)數(shù)據(jù)有一位標(biāo)志符 在B6500/B7500大型機(jī)中，每個(gè)數(shù)據(jù)有三位標(biāo)志 在R-2巨型機(jī)中采用10位標(biāo)志符10位標(biāo)志符位標(biāo)志符功能功能數(shù)值數(shù)值陷井陷井封寫(xiě)封寫(xiě)類(lèi)型類(lèi)型校驗(yàn)校驗(yàn)2位位2位位1位位4位位1位位標(biāo)志符標(biāo)志符數(shù)值數(shù)值 標(biāo)志符由編譯器或標(biāo)志符由編譯器或其它系統(tǒng)軟件建立，對(duì)其它系統(tǒng)軟件建立，對(duì)一般高級(jí)語(yǔ)言程序員和一般高級(jí)語(yǔ)言程序員和計(jì)算機(jī)用戶透明。計(jì)算機(jī)用戶透明。4 之 1帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示法簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化編譯程序便于硬件實(shí)現(xiàn)一致性校驗(yàn)?zāi)苡捎布詣?dòng)完成數(shù)據(jù)類(lèi)型的變換為軟件調(diào)試和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)提供支持支持了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)類(lèi)型無(wú)關(guān)的要求數(shù)據(jù)和指令的長(zhǎng)度可能不一致指令執(zhí)行速度降低，程序設(shè)計(jì)時(shí)間、編譯時(shí)間和調(diào)試時(shí)間縮短硬件復(fù)雜度增加。本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示4 之 2存儲(chǔ)空間分析 存儲(chǔ)空間將會(huì)增加。 合理地設(shè)計(jì)和使用會(huì)不增反降。 數(shù)據(jù)字增加，指令字縮小編譯程序縮短，目的程序縮短本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)字長(zhǎng)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)加長(zhǎng)加長(zhǎng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)指令指令指指令令字字長(zhǎng)長(zhǎng)縮縮短短采用標(biāo)志符采用標(biāo)志符的指令字長(zhǎng)的指令字長(zhǎng)標(biāo)志符長(zhǎng)度標(biāo)志符長(zhǎng)度不采不采用標(biāo)用標(biāo)志符志符的指的指令和令和數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)字長(zhǎng)字長(zhǎng)采用標(biāo)志符的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度采用標(biāo)志符的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度4 之 3存儲(chǔ)空間分析假設(shè)X處理機(jī)的數(shù)據(jù)不帶標(biāo)志符，其指令字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)字長(zhǎng)均為32位；Y處理機(jī)的數(shù)據(jù)帶標(biāo)志符，數(shù)據(jù)字長(zhǎng)增加至35位，其中3位是標(biāo)志符，其指令字長(zhǎng)由32位減少至30位。并假設(shè)一條指令平均訪問(wèn)兩個(gè)操作數(shù)，每個(gè)操作數(shù)平均被訪問(wèn)R次。分別計(jì)算一個(gè)有I條指令的程序在這兩種不同類(lèi)型的處理機(jī)中所占用的存儲(chǔ)空間。程序在X中的存儲(chǔ)空間： 程序在Y中的存儲(chǔ)空間： 二者的比值為：當(dāng)R3時(shí)有 BY/BX 數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示RIIBY35230321635153223235230RRRIIRIIBBXYRIIBX322324 之 4數(shù)據(jù)描述符表示法本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示 對(duì)于許多連續(xù)存放的同屬性數(shù)據(jù)，例如：向量、矩陣、多維數(shù)組等，可以采用一個(gè)數(shù)據(jù)描述符作用于這樣的一組數(shù)據(jù)，而沒(méi)有必要讓每個(gè)數(shù)據(jù)都帶標(biāo)志符。 以Burroughs公司生產(chǎn)的機(jī)中采用的數(shù)據(jù)描述符表示方法進(jìn)行介紹。5 之 1B-6700中的格式本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示101數(shù)據(jù)塊起始地址數(shù)據(jù)塊起始地址標(biāo)志位標(biāo)志位數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度000數(shù)值數(shù)值5 之 2取操作數(shù)的過(guò)程本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示5 之 3101000000101操作碼操作碼xy指令指令主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器101101地址形地址形成邏輯成邏輯寄存器寄存器描述符描述符（數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)）描述符描述符描述二維陣列（按行存儲(chǔ)）本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示101標(biāo)志標(biāo)志3101標(biāo)志標(biāo)志4101標(biāo)志標(biāo)志4101標(biāo)志標(biāo)志4000a11000a12000a13000a14000a21000a22000a23000a24000a31000a32000a33000a34OPCXY343332312423222114131211aaaaaaaaaaaaA5 之 4特 點(diǎn)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 自定義數(shù)據(jù)表示 整塊數(shù)據(jù)可一次性操作簡(jiǎn)化編譯中的代碼生成 標(biāo)志符是和每個(gè)數(shù)據(jù)相連，合存于一個(gè)存儲(chǔ)單元中，；描述符是和數(shù)據(jù)分開(kāi)存放的，。5 之 5數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì)本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型用數(shù)據(jù)表示來(lái)實(shí)現(xiàn)的原則主要有：w 原則一原則一w 原則二原則二設(shè)計(jì)原則一本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì) 主存和處理機(jī)間所需傳送的消息量有否減少高速運(yùn)算部件是否節(jié)省了時(shí)間是否節(jié)省了大量的輔助操作（由硬件完成）是否節(jié)省了編譯所需要的時(shí)間 向量數(shù)據(jù)表示的引入（例如：兩個(gè)200200的定點(diǎn)數(shù)矩陣相加）。設(shè)計(jì)原則二本章內(nèi)容數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示設(shè)計(jì) 盡管堆棧操作速度很快，但矩陣運(yùn)算效率卻降低了。 還需要解決通用性問(wèn)題、如何高效地實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、如何確定陣列型數(shù)據(jù)表示的規(guī)模等。 堆棧、向量、鏈表等結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)低效。尋址技術(shù) 尋址技術(shù)就是尋找操作數(shù)及其他信息的地址的技術(shù)，它是軟件和硬件的一個(gè)主要分界面。 寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧和輸入輸出設(shè)備。 分析各種尋址技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，如何選擇和確定尋址技術(shù)。本章內(nèi)容w 編址方式編址方式w 尋址方式尋址方式w 定位方式定位方式編址方式本章內(nèi)容尋址技術(shù) 編址單位 零地址空間個(gè)數(shù) I/O設(shè)備的編址技術(shù) 并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)編址單位本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式 字編址 字節(jié)編址 位編址字編址本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位 。即，每個(gè)編址單位所包含的信息量（例：二進(jìn)制位數(shù)）與訪問(wèn)一次設(shè)備（指讀或?qū)懀┧@得的信息量是相同的。 實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，地址信息、存儲(chǔ)器容量等沒(méi)有任何浪費(fèi)。 沒(méi)有對(duì)非數(shù)值計(jì)算的應(yīng)用（要求按字節(jié)編址，因?yàn)樗幕緦ぶ穯挝皇亲止?jié)）提供支持。字節(jié)編址 每個(gè)編址單位是字節(jié)。 編址單位與信息的基本單位（一個(gè)字節(jié)）相一致。 地址空間的浪費(fèi)。 因?yàn)槊總€(gè)編址單位所包含的信息量（一個(gè)字節(jié)）與訪問(wèn)一次設(shè)備所獲得的信息量（通常是一個(gè)字：字節(jié)的4倍以上）不相同，從而就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)如何在存儲(chǔ)器里存放的問(wèn)題。 有三種：（1、2、3）本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位從任意位置開(kāi)始存儲(chǔ) 不浪費(fèi)存儲(chǔ)器資源。本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位字節(jié)編址n增加讀取時(shí)間（可能需增加讀取時(shí)間（可能需要兩個(gè)存儲(chǔ)周期）要兩個(gè)存儲(chǔ)周期）n存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制比較存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制比較復(fù)雜復(fù)雜字字單單- -字節(jié)字節(jié)單字單字字字半半- -單字單字字字雙雙- -半字半字字節(jié)字節(jié)存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)字長(zhǎng)：6464位（位（8 8字節(jié)）字節(jié)）主存空間主存空間從存儲(chǔ)字起始位置開(kāi)始存儲(chǔ) 浪費(fèi)存儲(chǔ)器資源。本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位字節(jié)編址n讀取都可以在一個(gè)存儲(chǔ)讀取都可以在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成周期內(nèi)完成n存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制比較存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制比較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)字長(zhǎng)：64位（位（8字節(jié)）字節(jié)）主存空間主存空間字節(jié)字節(jié)浪費(fèi)浪費(fèi)半字半字浪費(fèi)浪費(fèi)單字單字浪費(fèi)浪費(fèi)雙字雙字從地址整數(shù)倍位置開(kāi)始存儲(chǔ)性能是前兩種方法的折中 本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位字節(jié)編址存儲(chǔ)字長(zhǎng)：存儲(chǔ)字長(zhǎng)：64位（位（8字節(jié)）字節(jié)）主存空間主存空間字節(jié)字節(jié)浪費(fèi)浪費(fèi)雙字雙字單字單字浪費(fèi)浪費(fèi)雙字雙字字節(jié)字節(jié)浪費(fèi)浪費(fèi)單字單字雙字雙字字節(jié)字節(jié) 浪費(fèi)浪費(fèi)半字半字xx00 xx08xx10 xx18xx20 xx28xx30地址地址位編址本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式編址單位 每個(gè)編址單位是位。 同字節(jié)編址，只不過(guò)地址信息的浪費(fèi)更大。 零地址空間個(gè)數(shù)本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式 通用寄存器、主存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備均獨(dú)立編址。 主存儲(chǔ)器與輸入輸出設(shè)備統(tǒng)一編址。 所有存儲(chǔ)設(shè)備統(tǒng)一編址，最低端是通用寄存器，最高端是輸入輸出設(shè)備，中間為主存儲(chǔ)器。 所有存儲(chǔ)設(shè)備都無(wú)需編址，例如：堆棧、Cache等。I/O設(shè)備的編址技術(shù)本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式 對(duì)I/O設(shè)備本身進(jìn)行編址，沒(méi)有對(duì)寄存器進(jìn)行編址。 一個(gè)地址是數(shù)據(jù)寄存器，另一個(gè)是狀態(tài)或控制寄存器。 根據(jù)各種I/O設(shè)備的不同需要為它分配不同數(shù)據(jù)的地址。并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式 高位交叉編址 主要目的是用來(lái)擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量。 低位交叉編址 主要目的是提高存儲(chǔ)器速度。高位交叉編址本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)MBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體0MAR0.00.00.0F.FMBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體1MAR0.10.00.1F.FMBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體n-1MARF.F0.0F.FF.F譯碼器譯碼器 高位高位 地址寄存器（低位）地址寄存器（低位） 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器地址寄存器 低位交叉編址本章內(nèi)容尋址技術(shù)編址方式并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)MBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體0MAR0.00.0F.F0.0MBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體1MAR0.00.1F.F0.1MBR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體n-1MAR0.0F.FF.FF.F譯碼器譯碼器 地址寄存器（高位）地址寄存器（高位） （低位）（低位） 數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器 地址寄存器地址寄存器 尋址方式本章內(nèi)容尋址技術(shù) 常用尋址方式 尋址方式選擇 尋址方式參數(shù)大小選擇常用尋址方式的含義和使用常用尋址方式的含義和使用尋址方式選擇本章內(nèi)容尋址技術(shù)尋址方式 使用根據(jù)指令系統(tǒng)風(fēng)格和各種尋址方式的使用頻率，選擇高頻率的尋址方式。 在VAX指令集機(jī)器上運(yùn)行g(shù)cc、Spice和Tex基準(zhǔn)程序，各種尋址方式的分布見(jiàn)圖。2 之 1偏移尋址和立即數(shù)使用頻率很高，必須支持偏移尋址和立即數(shù)使用頻率很高，必須支持這兩種方式；對(duì)其他尋址方式，則應(yīng)根據(jù)軟、這兩種方式；對(duì)其他尋址方式，則應(yīng)根據(jù)軟、硬取舍原則進(jìn)行選擇。硬取舍原則進(jìn)行選擇。2 之 2尋址方式參數(shù)大小選擇本章內(nèi)容尋址技術(shù)尋址方式 根據(jù)進(jìn)行分析和選擇。偏移尋址參數(shù)大小選擇立即數(shù)參數(shù)大小選擇 偏移尋址方式中的地偏移尋址方式中的地址長(zhǎng)度至少為址長(zhǎng)度至少為1216bit（75%99%）。）。偏移的范圍如何確偏移的范圍如何確定，因?yàn)槠浯笮≈苯佣?，因?yàn)槠浯笮≈苯佑绊懼噶畹拈L(zhǎng)度。影響指令的長(zhǎng)度。 在在Alpha體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用SPEC CPU2000測(cè)試所得結(jié)果測(cè)試所得結(jié)果 立即數(shù)尋址模式中的立立即數(shù)尋址模式中的立即數(shù)字段長(zhǎng)度至少為即數(shù)字段長(zhǎng)度至少為816bit（50%80%）。）。 立即數(shù)的取值范圍如立即數(shù)的取值范圍如何確定，因?yàn)槠浯笮≈焙未_定，因?yàn)槠浯笮≈苯佑绊懼噶畹拈L(zhǎng)度。接影響指令的長(zhǎng)度。 在在Alpha體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用SPEC CPU2000測(cè)試所得結(jié)果測(cè)試所得結(jié)果定位方式本章內(nèi)容尋址技術(shù) 在程序裝入主存儲(chǔ)器之前，程序中的指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址就已經(jīng)確定了的稱(chēng)為直接定位方式。 在程序裝入主存儲(chǔ)器的過(guò)程中隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱(chēng)為靜態(tài)定位方式。 在程序執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)訪問(wèn)到相應(yīng)的指令或數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱(chēng)為動(dòng)態(tài)定位方式。指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)本章內(nèi)容 指令的組成 操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令字格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)指令的組成本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令一般由兩部分組成：和。 由兩部分組成：由兩部分組成：指令的操作種類(lèi)指令的操作種類(lèi)所用操作數(shù)的類(lèi)型所用操作數(shù)的類(lèi)型 由三部分組成：由三部分組成：操作數(shù)地址操作數(shù)地址地址的附加信息地址的附加信息尋址方式尋址方式2 之 1指令格式優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序的 指令格式要，以減少硬件譯碼的復(fù)雜度2 之 2本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)方法 固定長(zhǎng)度操作碼 Huffman編碼 擴(kuò)展編碼法本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法其中：表示第i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率；表示第i種操作碼的編碼長(zhǎng)度；操作碼的總數(shù)。其中：為信息熵（理論上的最短平均碼長(zhǎng)）。ipinipH2log1lH-1 R iilnipl12 之 1本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)例 子 為增加可比性，對(duì)下面介紹的編碼方法采用同一例子：。2 之 2指令指令I(lǐng)1概率概率 0.45I20.30I30.15I40.05I50.03I60.01I70.01本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)固定長(zhǎng)度操作碼 所有指令的操作碼長(zhǎng)度都是相同的。如果需要編碼的指令有n條，則固定長(zhǎng)度操作碼的位數(shù)至少需要 log2n 位。目前許多的RISC采用該思想。 H=1.95；l=3；R=35% 非常規(guī)整，硬件譯碼也很簡(jiǎn)單。浪費(fèi)嚴(yán)重。本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)Huffman編碼 概率高的用短位數(shù)表示，概率低的用長(zhǎng)位數(shù)表示。 利用Huffman樹(shù)實(shí)現(xiàn)。 是最優(yōu)化的編碼方式（平均碼長(zhǎng)最短，信息的冗余量最?。?，但操作碼很不規(guī)整。4 之 1本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)Huffman編碼算法 把所有指令按照使用概率自左向右排列好。 選取兩個(gè)概率最小的結(jié)點(diǎn)合并成一個(gè)概率值是二者之和的新結(jié)點(diǎn)，并把這個(gè)新結(jié)點(diǎn)與其它還沒(méi)有合并的結(jié)點(diǎn)一起形成新結(jié)點(diǎn)集合。 在新結(jié)點(diǎn)集合中選取兩個(gè)概率最小的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，如此繼續(xù)進(jìn)行下去，直至全部結(jié)點(diǎn)合并完畢。 最后得到的根結(jié)點(diǎn)的概率值為1。 每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)分支，分別用 “0” 和“1”表示。 從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，沿尖頭所指方向，到達(dá)屬于該指令的概率結(jié)點(diǎn)，把沿線所經(jīng)過(guò)的代碼組合起來(lái)得到這條指令的操作碼編碼。4 之 2本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)Huffman編碼舉例0.450.300.150.050.030.010.011.000.550.250.100.050.020101010101014 之 3本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)Huffman編碼舉例指令序號(hào)指令序號(hào)概率概率Huffman編碼法編碼法操作碼長(zhǎng)度操作碼長(zhǎng)度I10.4501位位I20.30102位位I30.151103位位I40.0511104位位I50.03111105位位I60.011111106位位I70.011111116位位H=1.95；l=1.97；R1%4 之 4本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)展編碼法 是固定長(zhǎng)度操作碼和Huffman編碼法相結(jié)合形成的。即：。 有多種擴(kuò)展編碼，等長(zhǎng)擴(kuò)展（例如：4-8-12、3-6-9等）？不等長(zhǎng)擴(kuò)展（例如：4-6-10等）？ 取決于具體指令的使用頻度的分布。5 之 1本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)擴(kuò)展編碼法舉例序號(hào)序號(hào)概率概率1-2-3-5擴(kuò)展編碼擴(kuò)展編碼I10.450I20.3010I30.15110I40.0511100I50.0311101I60.0111110I70.01111112-4等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼0001101100110111101111平均碼長(zhǎng)平均碼長(zhǎng)2.02.2信息冗余量信息冗余量2.5%11.4%5 之 2本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)等長(zhǎng)(4-8-12)15/15/15擴(kuò)展編碼法操作碼編碼操作碼編碼說(shuō)明說(shuō)明0000000111104位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共15種種1111 00001111 00011111 11108位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共15種種1111 1111 00001111 1111 00011111 1111 111012位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共16種種5 之 3本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)等長(zhǎng)(4-8-12)8/64/512擴(kuò)展編碼法操作碼編碼操作碼編碼說(shuō)明說(shuō)明0000000101114位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共8種種1000 00001000 00011111 01118位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共64種種1000 1000 00001000 1000 00011111 1111 011112位長(zhǎng)度的操作碼位長(zhǎng)度的操作碼共共512種種5 之 4本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)不等長(zhǎng)(4-6-10) 擴(kuò)展編碼法5 之 5編碼方法編碼方法各種不同長(zhǎng)度操作碼的指令種類(lèi)各種不同長(zhǎng)度操作碼的指令種類(lèi)總的總的指令種類(lèi)指令種類(lèi)4位操作碼位操作碼 6位操作碼位操作碼 10位操作碼位操作碼15/3/1615316348/31/1683116558/30/3283032708/16/2568162562804/32/256432256292本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 地址個(gè)數(shù)的選擇 優(yōu)化單個(gè)地址碼本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)地址個(gè)數(shù)的選擇地址數(shù)目地址數(shù)目指令指令條數(shù)條數(shù)程序程序存儲(chǔ)量存儲(chǔ)量程序執(zhí)程序執(zhí)行速度行速度適用場(chǎng)合適用場(chǎng)合三地址三地址少少最大最大一般一般向量、矩陣運(yùn)算為主向量、矩陣運(yùn)算為主二地址二地址一般一般很大很大很低很低一般不宜采用一般不宜采用一地址一地址較多較多較大較大較快較快連續(xù)運(yùn)算，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單連續(xù)運(yùn)算，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單零地址零地址最多最多最小最小最低最低嵌套、遞歸、變量較多嵌套、遞歸、變量較多二地址二地址R型型一般一般最小最小最快最快多累加器、數(shù)據(jù)傳送較多多累加器、數(shù)據(jù)傳送較多采用各種不同地址數(shù)指令編寫(xiě)的程序的特點(diǎn)和適用范圍采用各種不同地址數(shù)指令編寫(xiě)的程序的特點(diǎn)和適用范圍本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化單個(gè)地址碼 要用一個(gè)較短的地址碼表示一個(gè)較大的邏輯地址空間，同時(shí)還要有較靈活有效的尋址方式。 用間址尋址方式縮短地址碼長(zhǎng)度用變址尋址方式縮短地址碼長(zhǎng)度用寄存器間接地址方式縮短地址碼長(zhǎng)度（是最有效的方法）本章內(nèi)容指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)指令字格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 操作碼和地址碼的優(yōu)化，會(huì)造成指令字的不定長(zhǎng)，無(wú)法同時(shí)滿足速度快和空間省。 合理結(jié)合，形成定長(zhǎng)或多種長(zhǎng)度的指令字，例如：長(zhǎng)操作碼配短地址碼等。指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)本章內(nèi)容 指令系統(tǒng)性能 基本指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）指令系統(tǒng)性能本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 是指作為通用計(jì)算機(jī)所應(yīng)該具備的基本指令種類(lèi)。 是指指令的執(zhí)行速度要快，使用頻度要高。例如：在RISC體系結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)指令都能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)完成，而且只設(shè)置那些使用頻度高的指令。 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的生命力之所在。4 之 1指令系統(tǒng)性能本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)4 之 2 是硬件設(shè)計(jì)（如：VLSI技術(shù)）和軟件設(shè)計(jì)（如：編譯程序）的需要。 規(guī)整性主要包括：對(duì)稱(chēng)性和均勻性。 對(duì)稱(chēng)性本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)規(guī)整性4 之 3 ：所有的通用寄存器要同等對(duì)待：如果設(shè)置A-B指令，則也應(yīng)該設(shè)置B-A指令均勻性本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)規(guī)整性4 之 4 ：某機(jī)器有5種數(shù)據(jù)表示、4種字長(zhǎng)、8種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，則在設(shè)計(jì)加法指令時(shí)，指令種類(lèi)應(yīng)該是：548160種兩地址加法指令（不可能也不太現(xiàn)實(shí)）?；局噶钕到y(tǒng)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)通用計(jì)算機(jī)時(shí)，指令系統(tǒng)的完整性是必須要考慮的，基本指令有： 數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令 運(yùn)算類(lèi)指令 程序控制指令 輸入輸出指令 處理機(jī)控制和調(diào)試指令復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC）本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 增強(qiáng)原有指令的功能以及設(shè)置更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程序完成的功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化。從面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng)從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng)從面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng)從面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC 縮短目標(biāo)程序的長(zhǎng)度，即減少程序的空間開(kāi)銷(xiāo)縮短目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間，即減少程序的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo) 對(duì)大量已有的目標(biāo)程序及其執(zhí)行情況進(jìn)行，按統(tǒng)計(jì)出的各種指令和指令串的來(lái)分析改進(jìn)。4 之 1本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC4 之 2指令的使用頻度 是指對(duì)多種典型程序中所用的指令和指令串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)所得出的百分比（著眼于減少目標(biāo)程序所占用的存儲(chǔ)空間）。 是指對(duì)多種典型程序所執(zhí)行的指令和指令串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)所得出的百分比（著眼于減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間）。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：指令動(dòng)態(tài)使用頻度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：指令動(dòng)態(tài)使用頻度指令靜態(tài)使用頻度指令靜態(tài)使用頻度本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC對(duì)使用頻率高的指令, 增強(qiáng)其功能、加快其執(zhí)行速度并縮短字長(zhǎng)；對(duì)使用頻率高的指令串, 增設(shè)新指令來(lái)替代它；對(duì)使用頻率低的指令, 取消或合并,但要考慮到指令系統(tǒng)的兼容性問(wèn)題。4 之 3優(yōu)化方法本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC例如：循環(huán)在程序中占有相當(dāng)大的 比例，所以在指令上提供專(zhuān)門(mén)的支持。循環(huán)控制部分通常用3條指令完成 一條加法指令 一條比較指令 一條分支指令設(shè)置循環(huán)控制指令，用一條指令完成上述3條指令的功能。 4 之 4例 子從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC 盡可能減小高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差距，以利于支持高級(jí)語(yǔ)言編譯器（縮短編譯器的代碼長(zhǎng)度及編譯時(shí)間）的構(gòu)造。增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言支持的指令的功能增強(qiáng)對(duì)編譯程序支持的指令的功能高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言支持的指令的功能本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn) 對(duì)源程序中各種高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)使用頻度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析來(lái)改進(jìn)。 高級(jí)語(yǔ)言因用途不同，其語(yǔ)句使用頻度有較大差異，因此指令系統(tǒng)很難做到對(duì)各種語(yǔ)言都是優(yōu)化的。 優(yōu)化你所用的高級(jí)語(yǔ)言。增強(qiáng)對(duì)編譯程序支持的指令的功能本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn) 縮短高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差距。 如果計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)分優(yōu)化于一種高級(jí)語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，就會(huì)顯著減低與其語(yǔ)義結(jié)構(gòu)相差較大的其它高級(jí)語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)效率。 同時(shí)面向各種高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)指令系統(tǒng)同時(shí)面向各種高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)增強(qiáng)支持編譯程序指令的功能 可以設(shè)法改進(jìn)指令系統(tǒng)，使它與各種高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差距都有共同的縮小。Von Neumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)右移右移COBOLPL/IAPLFORTRANBASIC動(dòng)態(tài)自適應(yīng)指令系統(tǒng)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)增強(qiáng)支持編譯程序指令的功能 讓機(jī)器具有分別面向各種高級(jí)語(yǔ)言的多種指令系統(tǒng)、多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并能動(dòng)態(tài)地切換。微程序機(jī)器微程序機(jī)器面向面向BASIC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面向面向FORTRAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面向面向COBOL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)BASIC虛擬機(jī)虛擬機(jī)FORTRAN虛擬機(jī)虛擬機(jī)COBOL虛擬機(jī)虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC從面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn) 讓高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言之間無(wú)語(yǔ)義差距。間接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器 高級(jí)語(yǔ)言 = 匯編語(yǔ)言直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器 高級(jí)語(yǔ)言 = 機(jī)器語(yǔ)言微程序機(jī)器級(jí)微程序機(jī)器級(jí)高級(jí)語(yǔ)言程序高級(jí)語(yǔ)言程序傳統(tǒng)傳統(tǒng)機(jī)器機(jī)器面面 向向高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言機(jī)機(jī) 器器間接執(zhí)行間接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言機(jī)機(jī) 器器解解釋釋匯匯編編解解釋釋解解釋釋解解釋釋編編譯譯編編譯譯直直接接執(zhí)執(zhí)行行高高級(jí)級(jí)語(yǔ)語(yǔ)言言機(jī)機(jī)器器從面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC減少運(yùn)行操作系統(tǒng)所需的輔助操作時(shí)間；節(jié)省操作系統(tǒng)所占用的存貯空間。 對(duì)操作系統(tǒng)中常用的指令和指令串的使用頻率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析來(lái)改造；增設(shè)專(zhuān)用于操作系統(tǒng)的新指令；將操作系統(tǒng)中由軟件子程序?qū)崿F(xiàn)的某些功能改用硬件或固件實(shí)現(xiàn)。2 之 1從面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)CISC 指令集對(duì)操作系統(tǒng)的支持主要有： 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問(wèn)方式的切換。 進(jìn)程的管理和切換。 存儲(chǔ)管理和信息保護(hù)。 進(jìn)程的同步與互斥，信號(hào)燈的管理等。 支持操作系統(tǒng)的有些指令屬于特權(quán)指令，一般用戶程序是不能使用的。 2 之 2精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) CISCRISC RISC的定義 RISC的思想 RISC的關(guān)鍵技術(shù) RISC的特點(diǎn)CISCRISC本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISC RISC思想的提出主要是因?yàn)镃ISC存在這樣的一些問(wèn)題： 指令系統(tǒng)復(fù)雜，不利于VLSI的設(shè)計(jì)，也不利于設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的采用； 許多復(fù)雜指令的執(zhí)行速度很低； 編譯程序選擇目標(biāo)指令的范圍大，很難優(yōu)化； 20%和80%的規(guī)律：80%的指令只在20%的運(yùn)行時(shí)間里用到。RISC的定義本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISC Carnegie -Mellon大學(xué)的定義 IEEE的Michael Slater的定義至今沒(méi)有一個(gè)確切的定至今沒(méi)有一個(gè)確切的定義義Carnegie -Mellon大學(xué)的定義本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的定義 RISC應(yīng)有如下的特點(diǎn)： 大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成； LOAD/STORE結(jié)構(gòu)； 硬布線控制邏輯； 減少指令和尋址方式的種類(lèi)； 固定的指令格式； 注重編譯優(yōu)化技術(shù)。IEEE的Michael Slater的定義本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的定義 RISC為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有：簡(jiǎn)單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；大部分指令可以單周期執(zhí)行完成；僅LOAD和STORE指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器；簡(jiǎn)單的尋址方式；采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)；采用LOAD延遲技術(shù)。 RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有：三地址指令格式、較多的寄存器、對(duì)稱(chēng)的指令格式。RISC的思想本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISC 減少指令總數(shù)和簡(jiǎn)化指令的功能來(lái)降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，提高指令的執(zhí)行速度。減少指令平均執(zhí)行周減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)（期數(shù)（CPI）是是RISC思想的精華！思想的精華！RISC的關(guān)鍵技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISC 采用重疊寄存器窗口技術(shù)提高使用效率。 采用延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)和指令取消技術(shù)來(lái)降低（條件）轉(zhuǎn)移指令對(duì)流水的影響。 例如：指令流調(diào)整技術(shù)。重疊寄存器窗口技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 縮短CALL、RETURN操作時(shí)間。 將設(shè)置的大量的寄存器，分成多個(gè)組和一個(gè)全局區(qū)；每個(gè)組中分高、本、低三個(gè)區(qū)；相鄰組的高、低區(qū)重疊；不同的過(guò)程使用不同的組和共享全局區(qū)，這樣可以加速參數(shù)與結(jié)果的傳遞。 RISC II中采用的重疊寄存器窗口，見(jiàn)后圖。4 之 1RISC II中采用的重疊寄存器窗口中采用的重疊寄存器窗口R31CR26CR25CR16C高高本本R15CR10C低低過(guò)程過(guò)程CR31AR26AR25AR16A高高本本R15AR10A低低過(guò)程過(guò)程AR31BR26BR25BR16B高高本本R15BR10B低低過(guò)程過(guò)程B0984899099100105106115116121122131132137R9AR0AR9BR0BR9CR0C全局全局出出C出出B/入入C出出A/入入B入入A局部局部A局部局部B局部局部C調(diào)調(diào)用用調(diào)調(diào)用用4 之 2寄存器窗口技術(shù)的效果寄存器窗口技術(shù)的效果RISC II溢出次數(shù)溢出次數(shù)程序名稱(chēng)程序名稱(chēng)調(diào)用次數(shù)調(diào)用次數(shù)最大調(diào)用深度最大調(diào)用深度RISC II訪存次數(shù)訪存次數(shù)VAX-11訪存次數(shù)訪存次數(shù)111K43KQuick SortPuzzle1020641244K8K696K444KMC68000機(jī)器類(lèi)型機(jī)器類(lèi)型VAX-11PDP-11RISC II5執(zhí)行指執(zhí)行指令條數(shù)令條數(shù)199626執(zhí)行時(shí)執(zhí)行時(shí)間間 ( s)2219210訪問(wèn)內(nèi)訪問(wèn)內(nèi)存次數(shù)存次數(shù)15120.2過(guò)程調(diào)用所需開(kāi)銷(xiāo)的比較過(guò)程調(diào)用所需開(kāi)銷(xiāo)的比較 Quick sort程序的調(diào)用次程序的調(diào)用次數(shù)多，深度不數(shù)多，深度不大，而大，而Puzzle程序正好相反。程序正好相反。 VAX-11、 PDP-11、 MC68000為為CISC計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)， RISC II為為RISC計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)。4 之 3重疊寄存器窗口技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 寄存器設(shè)置多少個(gè)組？每個(gè)組多少個(gè)寄存器？ 嵌套調(diào)用不超過(guò)8層，每層24個(gè)寄存器（每個(gè)區(qū)8個(gè)寄存器）可基本滿足要求，不滿足概率在1%左右（可使用主存緩沖）。4 之 4延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) （條件）轉(zhuǎn)移指令會(huì)引起流水線斷流。F EF EF EF E1:add r1, r22:jmp next23: next1: sub r3, r4n: next2: move r4, a產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址指令作廢指令作廢重新取指令重新取指令3 之 1延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)。F EF EF E1:jmp next22:add r1, r23: next1: sub r3, r4n: next2: move r4, a產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址插入指令插入指令重新取指令重新取指令3 之 2指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個(gè)限制條件：被移動(dòng)指令在移動(dòng)過(guò)程中與所經(jīng)過(guò)的指令之間不能有數(shù)據(jù)相關(guān)；被移動(dòng)指令不破壞條件碼，至少不影響后面的指令使用條件碼。 如果找不到符合條件的指令，必須在（條件）轉(zhuǎn)移指如果找不到符合條件的指令，必須在（條件）轉(zhuǎn)移指令后面插入空操作；如果指令的執(zhí)行過(guò)程分為多個(gè)流水段，令后面插入空操作；如果指令的執(zhí)行過(guò)程分為多個(gè)流水段，則要插入多條指令。則要插入多條指令。3 之 3指令取消技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 采用指令延時(shí)技術(shù)，遇到條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，調(diào)整指令序列非常困難，在許多情況下找不到可以用來(lái)調(diào)整的指令。 采用指令取消技術(shù)（為了提高程序的執(zhí)行效率，應(yīng)該盡量少取消指令）。4 之 1例1：向后轉(zhuǎn)移（loop結(jié)構(gòu)）本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 調(diào)整前 調(diào)整后loop: X X X X X XY Y Y loop: Y Y YZ Z ZZ Z Zcmp r1, r2, loopcmp r1, r2, loopW W WX X XW W W能夠使指令流水線在絕大多數(shù)情況下不斷流，因?yàn)榻^大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)移是成功的。4 之 2例2：向前轉(zhuǎn)移（if-then-else結(jié)構(gòu)）本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù)R R RS S Scmp r1, r2, thru;若轉(zhuǎn)移，則取消TTTT T T;若不轉(zhuǎn)移，則執(zhí)行TTTU U Uthru: VVV成功與不成功的概率通常各為50%，效果就不明顯。用于轉(zhuǎn)移不成功為主的場(chǎng)合。4 之 3例3：隱含轉(zhuǎn)移（if-then結(jié)構(gòu)）本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù)語(yǔ)句：if (ab) then b=b+1調(diào)整前：調(diào)整后： cmp =, ra, rb,nextt: inc rbjmp xxx next:next:inc rbjmp txxx:用于轉(zhuǎn)移成功為主的場(chǎng)合。4 之 4指令流調(diào)整技術(shù)本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISCRISC的關(guān)鍵技術(shù) 通過(guò)、等方法消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線執(zhí)行效率。調(diào)整前調(diào)整后addr1, r2, r3addr1, r2, r3addr3, r4, r5mulr6, r7, r0mulr6, r7, r3addr3, r4, r5mulr3, r8, r9mulr0, r8, r9調(diào)整后執(zhí)行速度快一倍RISC的特點(diǎn)簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)，適合VLSI實(shí)現(xiàn)提高執(zhí)行速度和效率降低設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性可以提供直接支持高級(jí)語(yǔ)言的能力，簡(jiǎn)化編譯程序的設(shè)計(jì)加重了匯編語(yǔ)言程序員的負(fù)擔(dān)對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算和虛擬存儲(chǔ)器的支持不夠理想相對(duì)來(lái)說(shuō)，RISC機(jī)器上的編譯程序要比CISC機(jī)器上的難寫(xiě)。本章內(nèi)容指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)RISC綜合實(shí)例MIPS指令集 概述 MIPS的寄存器 MIPS的數(shù)據(jù)表示 MIPS的尋址方式 MIPS指令格式 MIPS操作本章內(nèi)容概 述本章內(nèi)容MIPS指令集 MIPS計(jì)算機(jī)是一個(gè)簡(jiǎn)單的64bit load-store系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的RISC計(jì)算機(jī)。MIPS強(qiáng)調(diào)： 簡(jiǎn)單的load-store指令集； 設(shè)計(jì)上重視流水線效率； 使得編譯器更容易產(chǎn)生高效的目標(biāo)代碼。MIPS是一種適合學(xué)習(xí)和理解的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型MIPS的寄存器本章內(nèi)容MIPS指令集 MIPS設(shè)置了32個(gè)64bit的通用寄存器（GPR）用于整數(shù)操作，分別命名為：R0、R1、R31。 MIPS設(shè)置了32個(gè)64bit的浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FPR）用于浮點(diǎn)數(shù)數(shù)操作，分別命名為：F0、F1、F31。 例如：浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器等。MIPS的數(shù)據(jù)表示本章內(nèi)容MIPS指令集 有：字節(jié)（8bit）、半字（16bit）、字（32bit）和雙字（64bit）。 有：?jiǎn)尉龋?2bit），雙精度（64bit）。MIPS的尋址方式本章內(nèi)容MIPS指令集 數(shù)據(jù)尋址方式只有兩種：和，字段長(zhǎng)度都為16bit。 是通過(guò)將是通過(guò)將0放入放入16bit位移字段中得到的；位移字段中得到的；是通過(guò)將寄存是通過(guò)將寄存器器R0作為基址寄存器得到的。作為基址寄存器得到的。MIPS指令格式本章內(nèi)容MIPS指令集 所有的指令都是32bit，其中6bit為操作碼（包含尋址模式），具體格式見(jiàn)右圖。MIPS操作本章內(nèi)容MIPS指令集 ALU操作 分支與跳轉(zhuǎn) load/store操作 浮點(diǎn)數(shù)操作ALU操作舉例操作舉例表示對(duì)字段進(jìn)行復(fù)制。表示對(duì)字段進(jìn)行復(fù)制。連接兩個(gè)字段。連接兩個(gè)字段。邏輯左移邏輯左移分支與跳轉(zhuǎn)舉例分支與跳轉(zhuǎn)舉例標(biāo)識(shí)字段中特定的位。標(biāo)識(shí)字段中特定的位。load/store操作舉例操作舉例浮點(diǎn)數(shù)操作本章內(nèi)容MIPS指令集MIPS操作 浮點(diǎn)操作包括加、減、乘、除，后綴S表示單精度浮點(diǎn)數(shù)，后綴D表示雙精度浮點(diǎn)數(shù)，例如：等。作 業(yè)本章內(nèi)容