计算机指令集结构设计.ppt

第二章 计算机指令集结构设计 指令集结构概述 指令集： 一些指令的集合； 每条指令都是直接由CPU硬件执行。 指令的表示方法： 二进制格式； 物理存储空间组织方式是位、字节、字和多字等； 当前的指令字长有：16、32、64位； 可变长格式和固定长度格式。 指令的特点 指令的操作十分简单，其操作由操作码编码表示。 每个操作需要的操作数个数为0-3个不等。 操作数是一些存储单元的地址； 典型的存储单元通常有：主存、寄存器、堆栈和累加器。 操作数地址隐含表示或显式表示。 指令集与计算机的性能 内容提要 指令集结构的分类 寻址技术设计 指令集结构的功能设计 操作数的类型、表示和大小 指令集格式的设计 DLX指令集结构 DLX指令集结构效能分析 指令集结构的分类 一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算机指令集结构进行分类，即： 在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。 指令集结构的分类 CPU中用来存储操作数的存储单元主要有： 堆栈； 累加器； 一组寄存器。 指令中的操作数可以被明确地显式给出，也可以按照某种约定隐式地给出。 指令集结构的分类 C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法 指令集结构的分类 如果指令集结构根据CPU内部存储单元类型来进行分类，一般可以分为： 堆栈型指令集结构； 累加器型指令集结构； 通用寄存器型指令集结构。 另外也有一些混合型结构。如：Intel 8086的指令集结构。 From IBM 650: 最早的指令集 计算一个数组加 + index Register(IX) To IBM 360:GPR IBM 360 16个32位寄存器，可做基址或变址 4个64位浮点寄存器 PSW …… 堆栈型指令集 计算一个表达式 指令集结构的分类 三种类型指令集结构的优缺点 指令集结构的分类 早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令集结构，但是自1980年以来的大多数机器均采用的是寄存器型指令集结构。主要有两个方面的原因: 集成电路技术飞速发展 寄存器和CPU内部其它存储单元一样，要比存储器快 对编译器而言，可以更容易有效地分配和使用寄存器 通用寄存器型指令集结构的分类 通用寄存器型指令集结构的主要优点: 在表达式求值方面，比其它类型指令集结构都具有更大的灵活性； 寄存器可以用来存放变量； 减少存储器的通信量，加快程序的执行速度（因为寄存器比存储器快） 可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可以有效改进程序的目标代码大小。 编译器有效地使用寄存器； 通用寄存器型指令集结构的分类 两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指令集结构（GPR）进一步细分。 ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻址，也即有多少个存储器操作数？ 通用寄存器型指令集结构的分类 通用寄存器型指令集结构的分类 可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为三种类型： 寄存器－寄存器型 (R－R：register-register) 寄存器－存储器型 (R－M：register-memory) 存储器－存储器型 (M－M：memory-memory) 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 寄存器－寄存器型（0,3） 优点： 简单，指令字长固定，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： 和指令中含有对存储器操作数访问的结构相比，指令条数多，因而其目标代码较大。 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 寄存器－存储器型（1,2） 优点： 可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码较小。 缺点： 指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 存储器－存储器型（3,3） 优点： 是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。 缺点： 指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题。 指令集结构设计概观 寻址技术 在通用寄存器型指令集结构中，一般是利用寻址方式指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数，抑或是一个存储器操作数。 寻址技术 寻址实际上是从形式地址到实际地址的转换。形式地址由指令描述，实际地址也称为有效地址。 有效地址指明的是存储器单元的地址或寄存器地址。 必须加速有效地址生成。 常用的一些操作数寻址方式 寄存器寻址 指令实例：Add R4 , R3 含义：Regs[R4]←Regs[R