计算机系统结构复习笔记（二）

第二章 计算机指令集结构

2.1指令集结构的分类

区别不同指令集结构的主要因素：
CPU中用来存储操作数的存储单元的类型，主要类型有：堆栈、累加器、通用寄存器组
将指令集结构分为三种类型
1.堆栈结构
2.累加器结构
3.通用寄存器结构
·根据操作数的来源不同，又可进一步分为:
    寄存器-存储器结构（RM结构）(操作数可以来自存储器 )
    寄存器-寄存器结构（RR结构）(所有操作数都是来自通用寄存器组)也称为load-store结构，这个名称强调：只有load指令和store指令能够访问存储器。

对于不同类型的指令集结构，操作数的位置、个数以及操作数的给出方式（显式或隐式）也会不同。
显式给出：用指令字中的操作数字段给出
隐式给出：使用事先约定好的存储单元

4种指令集结构的操作数的位置以及结果的去向

 

通用寄存器结构是现代指令集结构的主流
在灵活性和提高性能方面有明显的优势：
1.寄存器在CPU内部，其访问速度比存储器快。
2.对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。
3.寄存器可以用来存放变量。

根据ALU指令的操作数的两个特征对通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型
寄存器-寄存器型（RR型）
寄存器-存储器型（RM型）
存储器-存储器型（MM型）

2.2寻址方式（非本节课重点）

寻址方式：一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址的方法。

 采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条数，但可能增加计算机的实现复杂度以及指令的CPI

立即数寻址方式和偏移寻址方式的使用频度最高。

在比较旧的VAX结构上测试，是因为他寻址方式最多

对于偏移寻址中偏移量的取值范围：
程序所使用的偏移量大小分布十分广泛
较小的偏移量和较大的偏移量均占有相当大的比例

对于立即数寻址方式的使用频度：
大约1/4的load指令和ALU指令采用了立即数寻址

对于立即数的取值范围：
最常用的是较小的立即数
有时也会用到较大的立即数（主要是用于地址计算）。
在指令集结构设计中，至少要将立即数的大小设置为8～16位。

2.3指令集结构的功能设计

指令集结构的功能设计
确定软、硬件功能分配，即确定哪些基本功能应该由硬件实现，哪些功能由软件实现比较合适。
在确定哪些基本功能用硬件来实现时，主要考虑3个因素：速度、成本、灵活性
硬件实现的特点：速度快、成本高、灵活性差
软件实现的特点：速度慢、价格便宜、灵活性好
对指令集的基本要求：完整性、规整性、高效率、兼容性

在设计指令集结构时，有两种截然不同的设计策略：
CISC（Complex Instruction Set Computer--复杂指令集计算机）
增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。
RISC（Reduced Instruction Set Computer-精简指令集计算机）
尽可能地把指令集简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单。

2.3.1 CISC指令集结构的功能设计（非重点）

CISC结构追求的目标：
强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的

增强指令功能主要是从以下几个方面着手：
面向目标程序增强指令功能
面向高级语言的优化实现来改进指令集
面向操作系统的优化实现改进指令集

2.3.2 RISC指令集结构的功能设计

CISC指令集结构存在的问题：
1.各种指令的使用频度相差悬殊
只有20％的指令使用频度比较高，占运行时间的80％，而其余80％的指令只在20％的运行时间内才会用到。使用频度高的指令也是最简单的指令。
2.指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂，使得控制器硬件非常复杂

设计RISC机器遵循的原则：
1.指令条数少而简单。
2.采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式。
3.指令的执行在单个机器周期内完成。
4.只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行。
5.大多数指令都采用硬连逻辑来实现。
6.强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码。
7.充分利用流水技术来提高性能。

早期的RISC微处理器共同特点：
1.采用load-store结构
2.指令字长为32位
3.采用高效的流水技术

2.3.3 控制指令（非重点）

控制指令是用来改变控制流的。
能够改变控制流的指令：
1.分支（控制指令是有条件改变控制流）
2.跳转（指令是无条件改变控制流）
3.过程调用（call）
4.过程返回（ret）

改变控制流的大部分指令是分支指令（条件转移）。

2.4操作数的类型和大小（非重点）

数据表示：计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。
数据结构：由软件进行处理和实现的各种数据类型。
操作数的大小：操作数的位数或字节数。
主要的大小：字节（8位）、半字（16位）、字 （32位）、双字（64位）
基准程序对单字和双字的数据访问具有较高的频度。

2.5指令格式的设计

指令由两部分组成：操作码、地址码

操作码的编码比较简单和直观：
Huffman编码法
减少操作码的平均位数，但所获得的编码是变长的，不规整，不利于硬件处理。
固定长度的操作码
保证操作码的译码速度。

寻址方式的两种表示方法：
1.将寻址方式编码于操作码中，由操作码描述相应操作。
适合：处理机采用load-store结构，寻址方式只有很少几种。
2.设置专门的地址描述符，由地址描述符表示相应操作数。
适合：处理机具有多种寻址方式，且指令有多个操作数。

指令集的3种编码格式：

变长编码格式

定长编码格式
将操作类型和寻址方式一起编码到操作码中。

混合型编码格式

2.6MIPS指令集的结构（这里不详细写了，可以看看讲的好的博客：https://blog.csdn.net/JAck_chen0309/article/details/102459349）

2.6.1 MIPS的寄存器
32个64位通用寄存器（GPRs）
32个64位浮点数寄存器（FPRs）
一些特殊寄存器
例如，浮点状态寄存器用来保存有关浮点操作结果的信息。也可以与通用寄存器交换数据。

2.6.2 MIPS的数据表示
整数
字节（8位） 半字（16位）
字（32位） 双字（64位）
浮点数
单精度浮点数（32位） 双精度浮点数（64位）

2.6.3 MIPS的数据寻址方式
直接实现只有两种：立即数寻址与偏移量寻址（立即数字段和偏移量字段都是16位的。）
寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的
16位绝对寻址是通过把R0（其值永远为0）作为基址寄存器来完成的
MIPS的存储器是按字节寻址的，地址为64位
所有存储器访问都必须是边界对齐的

2.6.4 MIPS的指令格式
寻址方式编码到操作码中（前面介绍的第一种）
所有的指令都是32位的（固定长度）
3种指令格式
操作码占6位

I类指令：
包括所有的load和store指令、立即数指令、分支指令、寄存器跳转指令、寄存器链接跳转指令。
立即数字段为16位，用于提供立即数或偏移量。

R类指令
包括ALU指令、专用寄存器读/写指令、move指令等。

 

 

J类指令
包括跳转指令、跳转并链接指令、自陷指令、异常返回指令。
在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，它与PC值相加形成跳转的地址。

2.6.5 MIPS的操作
MIPS指令可以分为四大类
load和store（I类）
ALU操作（R类、I类）
分支与跳转（ I类、J类、R类）
浮点操作（ I类、R类）
R0的值永远是0，它可以用来合成一些常用的操作。

2.6.6 MIPS的控制指令
由一组跳转和一组分支指令来实现控制流的改变
2.6.7 MIPS的浮点操作
由操作码指出操作数是单精度（SP）或双精度（DP）
后缀S：表示操作数是单精度浮点数
后缀D：表示是双精度浮点数