第2章计算机指令集结构祥解.ppt

第2章 计算机指令集结构 主讲： 顾一禾 本章学习内容 指令集结构的分类 寻址方式设计 指令集结构的功能设计 数据类型、数据表示、数据结构的基本概念 各类数据表示方法 指令格式的设计与优化 实现RISC设计的技术手段 MIPS指令集结构简介 2.1 指令集结构的分类 指令集（指令系统） 机器所具有的全部指令的集合。 在机器上直接运行的程序均是由指令组成的。 指令集设计的内容 确定指令的格式、类型、功能 确定指令的操作、操作数的类型及大小 确定操作数的访问（寻址）方式。 指令系统的性能评价 指令集中一般包含两类指令： (1) 非特权指令 主要供用户使用。包括算逻指令、数据传送指令、控制转移指令、浮点运算指令、字符串指令、十进制指令和系统指令等。 (2) 特权指令 主要供系统程序员使用，一般不允许用户使用。若用户希望使用这类指令，必须先通过访管指令调用操作系统，再由操作系统控制执行某些特权指令。其中包括I/O指令、停机等待指令、存储管理保护指令、控制系统状态指令以及诊断指令等。 不同风格的指令系统 CISC：复杂指令集计算机 RISC：精简指令集计算机 2.1.1 指令集结构的分类 1. 指令集分类的五个因素 ⑴ 在CPU中操作数的存放方法。 如操作数可存放在内存、寄存器和堆栈等不同类型的存储单元中。 ⑵ 在每条指令中显式指明的操作数个数。 ⑶ 操作数的寻址方式。 ⑷ 指令系统所提供的操作类型。 ⑸ 操作数的类型与大小。 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主要类型 堆栈 累加器 通用寄存器组 2.1.2 指令集结构的三种类型 ⑴ 堆栈型 指令中的操作数默认存放在堆栈的栈顶。 ⑵ 累加器型 指令中的操作数默认存放在累加器中。 ⑶ 通用寄存器型 指令中明确给出操作数所在的寄存器。 通用寄存器结构的分类 根据操作数的来源不同，又可将通用寄存器结构进一步分为: 寄存器—存储器结构（RM结构） 操作数可来自存储器 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 RR结构也称为load-store结构。 load-store结构强调，只有load指令和store指令能够访问存储器。 存储器—存储器结构（MM结构） 4种指令集结构中操作数位置及结果去向 灰色块：操作数　　　黑色块：结果 TOS（Top Of Stack）：栈顶 操作数的给出方式 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也不同。 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 对于一条有两个源操作数和一个目的操作数的指令，指令中显式表示的操作数的个数随CPU存取操作数方式的不同而不同。 例：设A、B、C均保存在存储器单元中，且在运算过程中不破坏A、B的值，则在三种不同类型的指令系统中实现C＝A＋B的指令序列为： 例：请将下面的一段高级语言程序，用堆栈型、累加器型、寄存器－寄存器型指令编写完成同样功能的汇编语言程序。若操作码占一字节，存储器地址占二字节，操作数占四字节。 　　　A＝B＋C 　　　B＝A＋C 　　　D＝A－B ⑴ 计算三种指令代码序列从存储器取指所需的总字节数。 ⑵ 计算三种指令代码序列取数或存数所需的总字节数。 ⑶ 比较三种结构所需的指令字节数和需传送的总字节数。 说明：减法为目的操作数减去源操作数 堆栈型 PUSH B PUSH C ADD POP A ； A＝B＋C PUSH A PUSH C ADD POP B ； B＝A＋C PUSH A PUSH B SUB POP D ； D＝A－B 累加器型 LOAD B ADD C STORE A ； A＝B＋C ADD C ；A还在累加器中 STORE B ； B ＝ A＋C LOAD A SUB B STORE D ； D＝A－B 寄存器－寄存器型 LOAD R1 ，B LOAD R2，C ADD R1 ，R2 ；R1＝R1 +R2 STORE A，R1 ；A＝B＋C ADD R1 ，R2 ；R1＝R1 +R2 STORE B，R1 ； B ＝ A＋C LOAD R2 ，A SUB R2，R1 ；R2＝R2 －R1 STORE D，R2 ；D ＝ A－B 三种类型指令集结构的优缺点 通用寄存器指令集结构的优势 通用寄存器结构是现代指令集结构的主流 通用寄存器结构在灵活性和提高性能方面的明显优势 （1）寄存器的访问速度比存储器快。 （2） 编译器可以更加容易、有效地分配和使用寄存器。 （3）寄存器用于存放变量的好处： ① 减