-計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)1

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理(1)Makethecommoncasefaster|AmdahlCPU性能公式CPU時(shí)間=

(CPIi

ICi)/時(shí)鐘頻率CPI=

(CPIi

ICi)/IC=

(CPIi

ICi/IC)CPU時(shí)間=CPI

IC

時(shí)鐘周期時(shí)間

；MIPS106=

指令條數(shù)執(zhí)行時(shí)間CPU時(shí)鐘周期數(shù)=指令條數(shù)

106/ffCPI=

106程序的執(zhí)行時(shí)間Te=MIPS指令條數(shù)

106計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的定量原理(2)MIPS（MillionInstructionsPerSecond）2.1 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)2.2 尋址方式2.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)2.5 操作數(shù)的類(lèi)型和大小2.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第2章指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)區(qū)別不同指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要因素CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的類(lèi)型CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元堆棧累加器通用寄存器組將指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三種類(lèi)型2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)堆棧結(jié)構(gòu)累加器結(jié)構(gòu)通用寄存器結(jié)構(gòu)根據(jù)操作數(shù)的來(lái)源不同，又可進(jìn)一步分為:寄存器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（RM結(jié)構(gòu)）(操作數(shù)可以來(lái)自存儲(chǔ)器)寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)（RR結(jié)構(gòu)）(所有操作數(shù)都是來(lái)自通用寄存器組)也稱(chēng)為load-store結(jié)構(gòu)，這個(gè)名稱(chēng)強(qiáng)調(diào)：只有l(wèi)oad指令和store指令能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器。

2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)對(duì)于不同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)，操作數(shù)的位置、個(gè)數(shù)以及操作數(shù)的給出方式（顯式或隱式）也會(huì)不同。顯式給出：用指令字中的操作數(shù)字段給出隱式給出：使用事先約定好的單元2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)

例:表達(dá)式Z=X+Y在4種類(lèi)型指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的代碼。假設(shè)：X、Y、Z均保存在存儲(chǔ)器單元中，并且不能破壞X和Y的值。堆棧累加器寄存器（RM型）寄存器（RR型）pushXloadXloadR1，XloadR1，XpushYaddYaddR1，YloadR2，YaddstoreZstoreR1，ZaddR3，R1，R2popZstoreR3，Z2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)通用寄存器型結(jié)構(gòu)現(xiàn)代指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主流在靈活性和提高性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)跟其它的CPU內(nèi)部存儲(chǔ)單元一樣，寄存器的訪問(wèn)速度比存儲(chǔ)器快。對(duì)編譯器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。寄存器可以用來(lái)存放變量。

（1）減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，加快程序的執(zhí)行速度；（因?yàn)榧拇嫫鞅却鎯?chǔ)器快）

（2）用更少的地址位（相對(duì)于存儲(chǔ)器地址來(lái)說(shuō)）來(lái)對(duì)寄存器進(jìn)行尋址，從而有效地減少程序的目標(biāo)代碼的大小。2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)根據(jù)ALU指令的操作數(shù)的兩個(gè)特征對(duì)通用寄存器型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分ALU指令的操作數(shù)個(gè)數(shù)3個(gè)操作數(shù)的指令兩個(gè)源操作數(shù)、一個(gè)目的操作數(shù)2個(gè)操作數(shù)的指令其中一個(gè)操作數(shù)既作為源操作數(shù)，又作為目的操作數(shù)。ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù)可以是0～３中的某一個(gè)，為0表示沒(méi)有存儲(chǔ)器操作數(shù)。ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù)ALU指令中操作數(shù)的最多個(gè)數(shù)結(jié)構(gòu)類(lèi)型機(jī)器實(shí)例03RRMIPS，SPARC，Alpha，PowerPC，ARM12RMIBM360/370，Intel80x86，Motorola680003RMIBM360/37022MMVAX33MMVAXALU指令中操作數(shù)個(gè)數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)個(gè)數(shù)的典型組合2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)通用寄存器型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為3種類(lèi)型寄存器－寄存器型（RR型）寄存器－存儲(chǔ)器型（RM型）存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型（MM型）

3種通用寄存器型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

表中(m，n)表示指令的n個(gè)操作數(shù)中有m個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)寄存器－寄存器型（0，3）指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近。與指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用的空間比較大。寄存器－存儲(chǔ)器型（1，2）可以在ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用load指令進(jìn)行加載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，目標(biāo)代碼比較緊湊。指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱(chēng)。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來(lái)源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大。存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型（2，2）或（3，3）目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)置寄存器來(lái)保存變量。指令字長(zhǎng)變化很大，特別是3操作數(shù)指令。而且每條指令完成的工作也差別很大。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。這種類(lèi)型的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已不用了。尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址。尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。對(duì)于存儲(chǔ)器操作數(shù)來(lái)說(shuō)，由尋址方式確定的存儲(chǔ)器地址稱(chēng)為有效地址。2.2尋址方式一些操作數(shù)尋址方式

：賦值操作Mem：存儲(chǔ)器Regs：寄存器組方括號(hào)：表示內(nèi)容Mem[]：存儲(chǔ)器的內(nèi)容；Regs[]：寄存器的內(nèi)容Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的內(nèi)容作為地址的存儲(chǔ)器單元中的內(nèi)容尋址方式指令實(shí)例含義寄存器尋址ADDR1,R2Regs[R1]←Regs[R1]＋Regs[R2]立即值尋址ADDR3,#6Regs[R3]←Regs[R3]＋6偏移尋址ADDR3,120(R2)Regs[R3]←Regs[R3]＋Mem[120+Regs[R2]]寄存器間接尋址ADDR4,(R2)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]]索引尋址ADDR4,(R2+R3)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]+Regs[R3]]直接尋址或絕對(duì)尋址ADDR4,(1010)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[1010]存儲(chǔ)器間接尋址ADDR2,@(R4)Regs[R2]←Regs[R2]＋Mem[Mem[Regs[R4]]]自增尋址ADDR1,(R2)+Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]]Regs[R2]←Regs[R2]＋d自減尋址ADDR1,-(R2)Regs[R2]←Regs[R2]－dRegs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]]縮放尋址ADDR1,80(R2)[R3]Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[80＋Regs[R2]＋Regs[R3]*d]2.2尋址方式采用多種尋址方式可以顯著地減少程序的指令條數(shù)，但可能增加計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及指令的CPI。2.2尋址方式立即數(shù)尋址方式和偏移尋址方式的使用頻度最高。

各種尋址方式的使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果在VAX機(jī)器上運(yùn)行g(shù)cc、Spice和Tex基準(zhǔn)程序4.各種偏移量字段大小的使用情況寄存器－寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的機(jī)器上（MIPS）

◆

運(yùn)行SPECint92基準(zhǔn)程序集（compress、espresso、eqntott、gcc、li）

◆

運(yùn)行SPECfp92基準(zhǔn)程序集（dudoc、ear、hydro2d、mdljdp2、su2cor）x軸的標(biāo)記是對(duì)偏移量大小進(jìn)行l(wèi)og2（·）運(yùn)算所得，也就是偏移量字段的位數(shù)?！?/p>

程序所使用的偏移量大小分布十分廣泛；◆

較小的偏移量和較大的偏移量均占有相當(dāng)大的比例；◆

將偏移量字段的大小設(shè)置為12～16位。這種長(zhǎng)度可以支持上述75％～99％基于偏移尋址方式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)中偏移量大小的表示。

在一種Load/Store型指令集結(jié)構(gòu)上，一些指令使用立即值尋址方式的頻率。

比較指令和ALU指令使用立即值尋址方式十分頻繁。6.不同立即值大小的使用分布情況

將立即值的大小設(shè)置為8～16位，可以覆蓋所有使用立即值尋址方式指令的50％～80％。2.2尋址方式兩種表示尋址方式的方法尋址方式編碼于操作碼中，由操作碼描述相應(yīng)操作的尋址方式。適合：load-store結(jié)構(gòu)，尋址方式只有很少幾種。指令字中設(shè)置專(zhuān)門(mén)的尋址字段，以直接指出尋址方式。靈活，操作碼短，但需要設(shè)置專(zhuān)門(mén)的尋址方式字段，而且操作碼和尋址方式字段合起來(lái)所需要的總位數(shù)可能會(huì)比隱含方法的總位數(shù)多。適合：處理機(jī)有多種尋址方式，且指令有多個(gè)操作數(shù)。2.2尋址方式一個(gè)需要注意的問(wèn)題：物理地址空間的信息如何存放？如何在存儲(chǔ)器中存放不同寬度的信息？以IBM370為例子進(jìn)行討論。信息有字節(jié)、半字（雙字節(jié)）、單字（4字節(jié)）和雙字（8字節(jié)）等寬度。主存寬度為8個(gè)字節(jié)。采用按字節(jié)編址，各類(lèi)信息都是用該信息的首字節(jié)地址來(lái)尋址。允許它們?nèi)我獯鎯?chǔ)很可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)信息跨存儲(chǔ)字邊界而存儲(chǔ)于兩個(gè)存儲(chǔ)單元中2.2尋址方式信息寬度不超過(guò)主存寬度的信息必須存放在一個(gè)存儲(chǔ)字內(nèi)，不能跨邊界。必須做到：信息在主存中存放的起始地址必須是該信息寬度（字節(jié)數(shù)）的整數(shù)倍信息存儲(chǔ)的整數(shù)邊界概念滿足以下條件字節(jié)信息的起始地址為：×…××××半字信息的起始地址為：×…×××０單字信息的起始地址為：×…××００雙字信息的起始地址為：×…×０００

存在存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，但保證訪問(wèn)速度。2.2尋址方式指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先考慮所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能，確定哪些基本功能應(yīng)該由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)比較合適。包括指令的功能設(shè)計(jì)指令格式的設(shè)計(jì)在確定哪些基本功能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要考慮3個(gè)因素：速度、成本、靈活性。2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)速度快、成本高、靈活性差軟件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)速度慢、價(jià)格便宜、靈活性好對(duì)指令系統(tǒng)的基本要求完整性、規(guī)整性、正交性、高效率、兼容性

完整性：在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問(wèn)題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令系統(tǒng)所提供的指令足夠使用。2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化要求指令系統(tǒng)功能齊全、使用方便下表為許多指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都包含的一些指令類(lèi)型前4類(lèi)屬于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本指令對(duì)于最后4種類(lèi)型的操作，不同指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持大不相同。2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化操作類(lèi)型實(shí)例算術(shù)和邏輯運(yùn)算算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作：加，減，乘，除，與，或等數(shù)據(jù)傳輸load，store控制分支，跳轉(zhuǎn)，過(guò)程調(diào)用和返回，自陷等系統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)用，虛擬存儲(chǔ)器管理等浮點(diǎn)浮點(diǎn)操作：加，減，乘，除，比較等十進(jìn)制十進(jìn)制加，十進(jìn)制乘，十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換等字符串字符串移動(dòng)，字符串比較，字符串搜索等圖形像素操作，壓縮/解壓操作等2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化規(guī)整性：主要包括對(duì)稱(chēng)性和均勻性。對(duì)稱(chēng)性：所有與指令系統(tǒng)有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱(chēng)的。例如：在存儲(chǔ)單元的使用上，所有通用寄存器都要同等對(duì)待。在操作碼的設(shè)置上，如果設(shè)置了A－B的指令，就應(yīng)該也設(shè)置B－A的指令。

均勻性：指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類(lèi)型、字長(zhǎng)、操作種類(lèi)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，指令的設(shè)置都要同等對(duì)待。例如：如果某機(jī)器有5種數(shù)據(jù)表示，4種字長(zhǎng)，兩種存儲(chǔ)單元，則要設(shè)置5×4×2=40種同一操作的指令。

2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化正交性：在指令中各個(gè)不同含義的字段，如操作類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型、尋址方式字段等，在編碼時(shí)應(yīng)互不相關(guān)、相互獨(dú)立。高效率：指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。兼容性：主要是要實(shí)現(xiàn)向后兼容，指令系統(tǒng)可以增加新指令，但不能刪除指令或更改指令的功能。2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)時(shí)，有兩種截然不同的設(shè)計(jì)策略。（產(chǎn)生了兩類(lèi)不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）增強(qiáng)指令功能，把越來(lái)越多的功能交由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來(lái)越多。RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)）盡可能地把指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化，不僅指令的條數(shù)少，而且指令的功能也比較簡(jiǎn)單。

2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)2.4.1沿CISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)CISC指令系統(tǒng)的一大特點(diǎn)指令數(shù)量多、功能多樣增強(qiáng)指令功能主要是從以下3個(gè)方面著手：面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能對(duì)大量的目標(biāo)程序及其執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出那些使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的指令或指令串。對(duì)于使用頻度高的指令，用硬件加快其執(zhí)行；對(duì)于使用頻度高的指令串，用一條新的指令來(lái)替代。既能減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間，也能有效地縮短程序的長(zhǎng)度。可以從以下幾個(gè)方面來(lái)改進(jìn)：增強(qiáng)運(yùn)算型指令的功能增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送指令的功能增強(qiáng)程序控制指令的功能2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)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。

一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)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)（縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距）高級(jí)語(yǔ)言與一般的機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距非常大，為高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯帶來(lái)了一些問(wèn)題。（1）編譯器本身比較復(fù)雜；（2）編譯生成的目標(biāo)代碼比較難以達(dá)到很好的優(yōu)化。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言和編譯器的支持對(duì)高級(jí)語(yǔ)言中使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的語(yǔ)句，增強(qiáng)有關(guān)指令的功能，加快這些指令的執(zhí)行速度，或者增加專(zhuān)門(mén)的指令，可以達(dá)到減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間和減少目標(biāo)程序長(zhǎng)度的目的。增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各種例外情況。

（面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)）2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)

①間接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言作為機(jī)器的匯編語(yǔ)言。②直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言的機(jī)器直接把高級(jí)語(yǔ)言作為機(jī)器語(yǔ)言。（一種比較激進(jìn)的方法）采用“比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)＋軟件”的做法能夠在較低成本和復(fù)雜度的前提下，提供更高的性能和靈活性。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng)操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系的，操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持。指令系統(tǒng)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。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)CISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題

（1979年開(kāi)始，Patterson等人的研究）各種指令的使用頻度相差懸殊，許多指令很少用。據(jù)統(tǒng)計(jì)：只有20％的指令使用頻度比較高，占運(yùn)行時(shí)間的80％。而其余80％的指令只在20％的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才會(huì)用到。使用頻度高的指令也是最簡(jiǎn)單的指令。2.4.2沿RISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)執(zhí)行頻度排序80x86指令指令執(zhí)行頻度（占執(zhí)行指令總數(shù)的百分比）1load22%2條件分支20%3比較16%4store12%5加8%6與6%7減5%8寄存器－寄存器間數(shù)據(jù)移動(dòng)4%9調(diào)用子程序1%10返回1%合計(jì)95%Intel80x86最常用的10條指令2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)龐大，指令條數(shù)很多，許多指令的功能又很復(fù)雜，使得控制器硬件非常復(fù)雜。

導(dǎo)致的問(wèn)題：占用了大量的芯片面積（如占用CPU芯片總面積的一半以上），給VLSI設(shè)計(jì)造成很大的困難；增加了研制時(shí)間和成本，容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。許多指令由于操作繁雜，其CPI值比較大，執(zhí)行速度慢。采用這些復(fù)雜指令有可能使整個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間反而增加。由于指令功能復(fù)雜，規(guī)整性不好，不利于采用流水技術(shù)來(lái)提高性能。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)設(shè)計(jì)RISC機(jī)器遵循的原則指令條數(shù)少、指令功能簡(jiǎn)單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令；采用簡(jiǎn)單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長(zhǎng)都為32位或64位；指令的執(zhí)行在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；

(采用流水線機(jī)制)只有l(wèi)oad和store指令才能訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令的操作都是在寄存器之間進(jìn)行；

（即采用load-store結(jié)構(gòu)）大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)；2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級(jí)語(yǔ)言程序生成優(yōu)化的代碼；充分利用流水技術(shù)來(lái)提高性能。早期的RISC微處理器1981年，Berkeley分校的Patterson等人的32位微處理器RISCI：31條指令，指令字長(zhǎng)都是32位，78個(gè)通用寄存器，時(shí)鐘頻率為8MHz；控制部分所占的芯片面積只有約6%。商品化微處理器MC68000和Z8000分別為50%和53%；性能比MC68000和Z8000快3～4倍。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)1983年的RISCⅡ：指令條數(shù)為39，通用寄存器個(gè)數(shù)為138，時(shí)鐘頻率為12MHz。后來(lái)發(fā)展成了Sun公司的SPARC系列微處理器。1981年，Stanford大學(xué)Hennessy等人的MIPS后來(lái)發(fā)展成了MIPSRxxx系列微處理器。IBM的801共同特點(diǎn)：采用load-store結(jié)構(gòu)指令字長(zhǎng)為32位采用高效的流水技術(shù)數(shù)據(jù)表示：計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類(lèi)型。所有數(shù)據(jù)類(lèi)型中最常用、相對(duì)比較簡(jiǎn)單、用硬件實(shí)現(xiàn)比較容易的幾種。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：由軟件進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型。研究：這些數(shù)據(jù)類(lèi)型的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并給出相應(yīng)的算法。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要解決的問(wèn)題：如何確定數(shù)據(jù)表示？（軟硬件取舍折中的問(wèn)題）2.5操作數(shù)的類(lèi)型和大小數(shù)據(jù)表示：硬件數(shù)據(jù)類(lèi)型 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：軟件

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)題原則： 縮短程序運(yùn)行時(shí)間； 減少CPU與主存的通信量； 數(shù)據(jù)類(lèi)型的通用性和利用率例：實(shí)現(xiàn)A＝A＋B，A和B均為200×200的矩陣。分析向量指令的作用解：如在沒(méi)有向量數(shù)據(jù)表示的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，一般需要6條指令，其中有4條指令要循環(huán)4萬(wàn)次。因此，CPU與主存儲(chǔ)器之間的通信量：取指令2＋4×40,000條，讀或?qū)憯?shù)據(jù)3×40,000個(gè)，共要訪問(wèn)主存儲(chǔ)器7×40,000次以上

如果有向量數(shù)據(jù)表示，只需要一條指令減少訪問(wèn)主存（取指令）次數(shù)：4×40,000次縮短程序執(zhí)行時(shí)間一倍以上2.5操作數(shù)的類(lèi)型和大小表示操作數(shù)類(lèi)型的方法有兩種由指令中的操作碼指定操作數(shù)的類(lèi)型。給數(shù)據(jù)加上標(biāo)識(shí)，由數(shù)據(jù)本身給出操作數(shù)類(lèi)型。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，可由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一致性檢查和類(lèi)型轉(zhuǎn)換，縮小了機(jī)器語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差距，簡(jiǎn)化編譯器等。缺點(diǎn)：由于需要在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)標(biāo)志符，動(dòng)態(tài)開(kāi)銷(xiāo)比較大，所以采用這種方案的機(jī)器很少見(jiàn)。操作數(shù)的大?。翰僮鲾?shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。主要的大?。鹤止?jié)（8位）、半字（16位）字（32位）、和雙字（64位）2.5操作數(shù)的類(lèi)型和大小字符：用ASCII碼表示，為一個(gè)字節(jié)大小。整數(shù)：用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，其大小可以是字節(jié)、半字或單字。浮點(diǎn)操作數(shù)：?jiǎn)尉雀↑c(diǎn)數(shù)（1個(gè)字）、雙精度浮點(diǎn)數(shù)（雙字）。一般都采用IEEE754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)十進(jìn)制操作數(shù)類(lèi)型壓縮十進(jìn)制或二進(jìn)制編碼十進(jìn)制（BCD碼）：用4位二進(jìn)制編碼表示數(shù)字0～9，并將兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)字合并到一個(gè)字節(jié)中存儲(chǔ)。非壓縮十進(jìn)制：將十進(jìn)制數(shù)直接用字符串來(lái)表示。訪問(wèn)不同操作數(shù)大小的頻率（SPEC基準(zhǔn)程序）操作數(shù)大小訪問(wèn)頻度整型平均浮點(diǎn)平均字節(jié)7%0%半字19%0%單字74%31%雙字0%69%基準(zhǔn)程序?qū)巫趾碗p字的數(shù)據(jù)訪問(wèn)具有較高的頻度。一臺(tái)32位的機(jī)器應(yīng)該支持8、16、32位整型操作數(shù)以及32位和64位的IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)操作數(shù)。32個(gè)64位通用寄存器（GPRs）R0，R1，…，R31也稱(chēng)為整數(shù)寄存器R0的值永遠(yuǎn)是032個(gè)64位浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FPRs）F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)312.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹MIPS64的一個(gè)子集，簡(jiǎn)稱(chēng)為MIPS。2.6.1MIPS的寄存器2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用來(lái)存放32個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位），也可以用來(lái)存放32個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）。存儲(chǔ)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）時(shí)，只用到FPR的一半，其另一半沒(méi)用。一些特殊寄存器它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。例如浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器：用來(lái)保存有關(guān)浮點(diǎn)操作結(jié)果的信息。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MIPS的數(shù)據(jù)表示整數(shù)字節(jié)（8位）半字（16位）字（32位）雙字（64位）浮點(diǎn)數(shù)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時(shí)，用零擴(kuò)展或者用符號(hào)位擴(kuò)展來(lái)填充該寄存器的剩余部分。裝入以后，對(duì)它們將按照64位整數(shù)的方式進(jìn)行運(yùn)算。2.6.2MIPS的數(shù)據(jù)表示2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)立即數(shù)尋址與偏移量尋址；立即數(shù)字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過(guò)把0作為偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的；16位絕對(duì)尋址是通過(guò)把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址寄存器來(lái)完成的；MIPS的存儲(chǔ)器是按字節(jié)尋址的，地址為64位；所有存儲(chǔ)器訪問(wèn)都必須是邊界對(duì)齊的。2.6.3MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尋址方式編碼到操作碼中所有的指令都是32位的操作碼占6位3種指令格式3種格式中，同名字段的位置固定不變。2.6.4MIPS的指令格式2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)I類(lèi)指令包括所有的load和store指令，立即數(shù)指令，分支指令，寄存器跳轉(zhuǎn)指令，寄存器鏈接跳轉(zhuǎn)指令。立即數(shù)字段為16位，用于提供立即數(shù)或偏移量。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)load指令訪存有效地址：Regs[rs]＋immediate從存儲(chǔ)器取來(lái)的數(shù)據(jù)放入寄存器rtstore指令訪存有效地址：Regs[rs]＋immediate要存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)放在寄存器rt中立即數(shù)指令Regs[rt]←Regs[rs]opimmediate分支指令轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址：Regs[rs]＋immediate，rt無(wú)用寄存器跳轉(zhuǎn)、寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址為Regs[rs]2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)R類(lèi)指令包括ALU指令，專(zhuān)用寄存器讀/寫(xiě)指令，move指令等。ALU指令Regs[rd]←Regs[rs]functRegs[rt]funct為具體的運(yùn)算操作編碼2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)J類(lèi)指令包括跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)并鏈接指令，自陷指令，異常返回指令。在這類(lèi)指令中，指令字的低26位是偏移量，它與PC值相加形成跳轉(zhuǎn)的地址。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MIPS指令可以分為四大類(lèi)load和storeALU操作分支與跳轉(zhuǎn)浮點(diǎn)操作符號(hào)的意義x←ny：從y傳送n位到xx，y←z：把z傳送到x和y2.6.5MIPS的操作2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下標(biāo)：表示字段中具體的位；對(duì)于指令和數(shù)據(jù)，按從最高位到最低位（即從左到右）的順序依次進(jìn)行編號(hào)，最高位為第0位，次高位為第1位，依此類(lèi)推。下標(biāo)可以是一個(gè)數(shù)字，也可以是一個(gè)范圍。例如：Regs[R4]0：寄存器R4的符號(hào)位Regs[R4]56-63：R4的最低字節(jié)Mem：表示主存；按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個(gè)字節(jié)。上標(biāo)：用于表示對(duì)字段進(jìn)行復(fù)制的次數(shù)。例如：0

32：一個(gè)32位長(zhǎng)的全0字段2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)符號(hào)##：用于兩個(gè)字段的拼接，并且可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳送的任何一邊。舉例：R8、R10：64位的寄存器，則Regs[R8]32-63←32（Mem[Regs[R6]]0）24

##Mem[Regs[R6]]表示的意義是：以R6的內(nèi)容作為地址訪問(wèn)內(nèi)存，得到的字節(jié)按符號(hào)位擴(kuò)展為32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即Regs[R8]0-31）不變。

load和store指令指令舉例指令名稱(chēng)含義LDR2，20(R3)裝入雙字Regs[R2]←64Mem[20+Regs[R3]]LWR2，40(R3)裝入字Regs[R2]←64(Mem[40+Regs[R3]]0)32##Mem[40+Regs[R3]]LBR2，30(R3)裝入字節(jié)Regs[R2]←64(Mem[30+Regs[R3]]0)56##Mem[30+Regs[R3]]LBUR2，40(R3)裝入無(wú)符號(hào)字節(jié)Regs[R2]←64056##Mem[40+Regs[R3]]LHR2，30(R3)裝入半字Regs[R2]←64(Mem[30+Regs[R3]]0)48##Mem[30+Regs[R3]]##Mem[31+Regs[R3]]L.SF2，60(R4)裝入半字Regs[F2]←64Mem[60+Regs[R4]]##032L.DF2，40(R3)裝入雙精度浮點(diǎn)數(shù)Regs[F2]←64Mem[40+Regs[R3]]SDR4，300(R5)保存雙字Mem[300+Regs[R5]]←64Regs[R4]SWR4，300(R5)保存字Mem[300+Regs[R5]]←32Regs[R4]S.SF2，40(R2)保存單精度浮點(diǎn)數(shù)Mem[40+Regs[R2]]←32Regs[F2]0··31

SHR5，502(R4)保存半字

Mem[502+Regs[R4]]←16Regs[R5]48··.63

ALU指令寄存器－寄存器型（RR型）指令或立即數(shù)型算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等指令舉例指令名稱(chēng)含義DADDU R1，R2，R3無(wú)符號(hào)加Regs[R1]←Regs[R2]+Regs[R3]DADDIU R4，R5，#6加無(wú)符號(hào)立即數(shù)Regs[R4]←Regs[R5]+6LUI R1，#4把立即數(shù)裝入到一個(gè)字的高16位Regs[R1]←032##4##016DSLL R1，R2，#5邏輯左移Regs[R1]←Regs[R2]<<5DSLTR1，R2，R3置小于If(Regs[R2]<Regs[R3])Regs[R1]←1elseRegs[R1]←02.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)R0的值永遠(yuǎn)是0，它可以用來(lái)合成一些常用的操作。例如：DADDIUR1，R0，#100

給寄存器R1裝入常數(shù)100DADDR1，R0，R2

把寄存器R2中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器R12.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一組跳轉(zhuǎn)和一組分支指令來(lái)實(shí)現(xiàn)控制流的改變典型的MIPS控制指令2.6.6MIPS的控制指令指令舉例指令名稱(chēng)含義Jname跳轉(zhuǎn)PC36··63←name<<2JALname跳轉(zhuǎn)并鏈接Regs[R31]←PC+4；PC36··63←name<<2；((PC+4)－227)≤name＜((PC+4)+227)JALRR3寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接Regs[R31]←PC+4；PC←Regs[R3]JRR5寄存器跳