指令系统的设计

• 区别不同指令系统结构的主要因素：CPU中用来存储操作数的存储单元的类型。
• CPU中用来存储操作数的存储单元：堆栈、累加器、通用寄存器组。
• 指令系统的结构分为三种类型：堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构。
• 对于不同类型的结构，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。操作数的给出方式为：显式给出（用指令字中的操作数字段给出）、隐式给出（使用事先约定好的单元）。
• ALU指令的操作数个数
  • 3个操作数的指令：两个源操作数、一个目的操作数
  • 2个操作数的指令：其中一个操作数既作为源操作数，又作为目的操作数。
• ALU指令中存储器操作数的个数可以是0～３中的某一个，为0表示没有存储器操作数。
• 通用寄存器型结构进一步细分为3种类型：寄存器－寄存器型（RR型）(操作数可以来自存储器 )、寄存器－存储器型（RM型）(所有操作数都是来自通用寄存器组) 、存储器－存储器型（MM型）。
• 3种通用寄存器型结构的优缺点（(m，n)表示指令的n个操作数中有m个存储器操作数）：
  • 寄存器－寄存器型（0，3）
    • 优点：指令字长固定，指令结构简洁，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。
    • 缺点：与指令中含存储器操作数的指令系统结构相比，指令条数多，目标代码不够紧凑，因而程序占用的空间比较大。
  • 寄存器－存储器型（1，2）
    • 优点：可以在ALU指令中直接对存储器操作数进行引用，而不必先用load指令进行加载。容易对指令进行编码，目标代码比较紧凑。
    • 缺点：指令中的两个操作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个数。指令的执行时钟周期数因操作数的来 源（寄存器或存储器）不同而差别比较大。
  • 存储器－存储器型（2，2）或（3，3）
    • 优点：目标代码最紧凑，不需要设置寄存器来保存变量。
    • 缺点：指令字长变化很大，特别是3操作数指令。而且每条指令完成的工作也差别很大。对存储器的频繁访问会使存储器成为瓶颈。这种类型的指令系统结构现在已不用了。
• RR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。
• 寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。
• 寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。
• 对于存储器操作数来说，由寻址方式确定的存储器地址称为有效地址。
• 两种表示寻址方式的方法：
  • 将寻址方式编码于操作码中，由操作码描述相应操作的寻址方式；
  • 在指令字中设置专门的寻址字段，用以直接指出寻址方式。
• 指令系统的设计包括：指令的功能设计、指令格式的设计。
• 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。
• 对指令系统的基本要求完整性、规整性、正交性、高效率、兼容性。
  • 完整性：在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令系统所提供的指令足够使用。
  • 规整性：主要包括对称性和均匀性。
  • 正交性：在指令中各个不同含义的字段，如操作类型、数据类型、寻址方式字段等，在编码时应互不相关、相互独立。
  • 高效率：指指令的执行速度快、使用频度高。
  • 兼容性：主要是要实现向后兼容，指令系统可以增加新指令，但不能删除指令或更改指令的功能。
• 在设计指令系统时，有两种截然不同的设计策略：
  • CISC（复杂指令系统计算机）
    • 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（精简指令系统计算机）
    • 尽可能地把指令系统简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单。
• 控制指令是用来改变控制流的。
• 跳转：当指令是无条件改变控制流时，称之为跳转指令。
• 分支：当控制指令是有条件改变控制流时，则称之为分支指令。
• 能够改变控制流的指令：分支、跳转、过程调用、过程返回。
• 指令由两部分组成：操作码、地址码。
• 指令格式的设计：
  • 确定指令字的编码方式，包括操作码字段和地；
  • 址码字段的编码和表示方式。
• 指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息。
• 构造哈夫曼树的方法 ：
  • 将各事件按其使用频度从小到大依次排列 。
  • 每次从中选择两个频度值最小的结点，将其合并成一个新的结点，并把新结点画在所选结点的上面， 然后用两条边把新结点分别与那两个结点相连。
  • 新结点的频度值是所选两个结点的频度值的和。
  • 把新结点与其他剩余未结合的结点一起，再以上面的步骤进行处理，反复进行，直到全部结点都结合完毕、形成根结点为止。
• 操作码优化的程度可以用信息熵来衡量。
• 
• 表示用二进制编码表示n个码点时，理论上的最短平均编码长度 。哈夫曼编码的平均码长是
• 
• 信息冗余量为
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• 扩展操作码
  • 位于定长二进制编码和哈夫曼编码之间的一种编码方案。
  • 采用有限几种固定长度的码长，仍然采用高概率的用短码、低概率用长码的哈夫曼压缩思想，使操作码平均长度缩短。
• 指令系统的3种编码格式：可变长度编码格式、固定长度编码格式、混合型编码格式。
•  CISC指令系统的一大特点；指令数量多、功能多样。
• 设计RISC机器遵循的原则 ：
  • 指令条数少、指令功能简单。只选取使用频度很高的指令，在此基础上补充一些最有用的指令；
  • 采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式；指令字长都为32位或64位；
  • 指令的执行在单个机器周期内完成；(采用流水线机制)
  • 只有load和store指令才能访问存储器，其它指令的操作都是在寄存器之间进行；（即采用load-store结构）
  • 大多数指令都采用硬连逻辑来实现；
  • 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码；
  • 充分利用流水技术来提高性能。

• 数据表示：计算机硬件能够直接识别、指令系统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）、和双字（64位）。
• MIPS的寄存器
  • 32个64位通用寄存器（GPRs）R0，R1，…，R31，也称为整数寄存器，R0的值永远是0。
  • 32个64位浮点数寄存器（FPRs）F0，F1，…，F31，用来存放32个单精度浮点数（32位）或个双精度浮点数（64位）。存储单精度浮点数（32位）时，只用到FPR的一半，其另一半没用。
  • 浮点状态寄存器：用来保存有关浮点操作结果的信息。

• 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））。
• MIPS指令可以分为四大类：load和store，ALU操作，分支与跳转，浮点操作。