计算机体系结构(张晨曦)第1章_PPT.ppt

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 CPU中用来存储操作数的存储单元的主要类型 堆栈 累加器 通用寄存器组 将指令集结构分为三种类型 2.1 指令集结构的分类 堆栈结构 累加器结构 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。 2.1 指令集结构的分类 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 2.1 指令集结构的分类 例: 表达式C=A+B在4种类型指令集结构上的代码。 假设：A、B、C均保存在存储器单元中，并且不能 破坏A和B的值。 2.1 指令集结构的分类 通用寄存器结构 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 跟其他的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问 速度比存储器快。 对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。 寄存器可以用来存放变量。 （1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度； （因为寄存器比存储器快） 2.1 指令集结构的分类 （2）用更少的地址位（相对于存储器地址来说）来对寄 存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的 大小。 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 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。 2.1 指令集结构的分类 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。 2.1 指令集结构的分类 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） 3种通用寄存器型指令集结构的优缺点 表中(m，n)表示指令的n个操作数中有m个存 储器操作数。 一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址？ 当前的指令集结构中所采用的一些操作数寻址方式 ?：赋值操作 Mem：存储器 Regs：寄存器组 方括号：表示内容 Mem[ ]：存储器的内容 Regs[ ]：寄存器的内容 Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的内容作为地址的 存储器单元中的内容 2.2 寻址方式 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。 2.2 寻址方式 2.2 寻址方式 偏移量的取值范围 在load-store结构的机器（Alpha）上运行SPEC CPU2000基准程序 2.2 寻址方式 从该图可以看出： 程序所使用的偏移量大小分布十分广泛 主要是因为在存储器中所保存的数据并不是十分 集中，需要使用不同的偏移量才能对其进行访问。 较小的偏移量和较大的偏移量均占有相当大 的比例 2.2 寻址方式 立即数寻址方式 立即数寻址方式的使用频度 2.2 寻址方式 立即数的取值范围 2.2 寻址方式 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。 在VAX机（支持32位立即数）上做过类似的统计，结果 表明20%～25%的立即数超过16位。 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 2.3 指令集结构的功能设计 对指令集的基本要求 完整性、规整性、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，指令集所提供的指令足够用。 要求指令集功能齐全、使用方便 下表为许多指令集结构都包含的一些指令类型 前4类属于通用计算机系统的基本指令 对于最后4种类型的操作，不同