198-计算机组成原理与汇编语言(2008级)教学.ppt

2.2 MIPS指令格式简介 MIPS 寻址方式 2.2 MIPS指令格式简介 MIPS 指令类型 2.2 MIPS指令格式简介 2.3 CISC与RISC 指令系统优化设计的两种相反的方向 增强指令功能：CISC（Complex Instruction Set Computer），即复杂指令系统计算机 特点：格式复杂，寻址方式复杂，指令种类多；把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现。 实例：80X86 简化指令功能：RISC（ Reduced Instruction Set Computer），即精简指令系统计算机 特点：格式简单，指令长度和操作码长度固定；简单寻址方式，大部分指令使用寄存器直接寻址。 实例：MIPS 2.3 CISC与RISC CISC的背景 计算机硬件成本的不断下降，软件开发成本的不断提高 在指令系统中增加更多的、更复杂的指令，以提高操作系统 的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便于高 级语言的编译。 程序的兼容性 同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不 能缩减。 2.3 CISC与RISC CISC指令系统的特点 指令系统复杂庞大； 寻址方式多，指令格式多，指令字长不固定； 可访存指令不受限制； 各种指令使用频率相差很大； 各种指令执行时间相差也很大； 大多数采用微程序控制器。 2.3 CISC与RISC RISC的背景 80-20规律 典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令，而且这些指令都是属于简单指令，如：取数、加、转移等。 付出巨大代价添加的复杂指令仅有20%的使用概率 VLSI时代 VLSI，即超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuites)； 复杂的指令系统需要复杂的控制器，占用较多的芯片面积，它的设计、验证、实现都变得更加困难。 2.3 CISC与RISC RISC技术 把使用频率为80%的、在指令系统中仅占20%的简单指令保留下来，消除剩余80%的复杂指令； 复杂功能改用子程序的方式实现。 取消了微程序控制方式，而采用简单的硬连线方式来进行指令译码，从而降低了控制器的复杂度； CPU性能下降不明显，但价格下降显著，提高了性价比； 控制器的极大简化，加上优化编译配合硬件的改进，使系统的速度大大提高。 2.3 CISC与RISC RISC的指令系统的特点 处理器通用寄存器数量较多； 由使用频率较高的简单指令构成； 指令字长固定，操作码固定； 指令格式种类少，寻址方式种类少； 访问内存仅限Load/Store指令，其他操作针对寄存器； 指令采用流水技术。 2.3 CISC与RISC RISC与CISC技术的融合 随着芯片集成度和硬件速度的增大，RISC系统也越来越复杂 CISC也吸收了很多RISC的设计思想 例如：Inter 80486比80286更加注重常用指令的执行效率，减少常用指令执行所需的周期数。 两个与指令相关的CPU性能指标 CPI：指令平均执行时钟周期数 CPI：Clock cycles Per Instruction。 不同指令功能不同，所需时间也不同，CPI只是某一机器中一个程序或程序片段每条指令所用时钟周期的平均值。 不同指令集的CPI比较没有实际意义。 MIPS：百万指令每秒 MIPS：Million Instruction Per Second 不同指令集的MIPS比较没有实际意义 即使同一台机器，用不同的测试程序测出来的MIPS值也可能不一样。 第四部分：指令系统 指令格式 指令系统概述 指令格式 寻址方式 典型指令系统介绍 80X86指令系统 MIPS指令系统 CISC与RISC对比 指令系统设计 3.1 指令系统的设计 设计依据 操作特性：不同操作的数量，具体是些什么操作，复杂程度等。 数据类型：各种操作所处理的数据的类型。 指令格式：指令长度，地址数目，指令中不同域的大小等。 寄存器数目：CPU中可以直接访问的寄存器的数目及使用方法。 寻址(Addressing)：操作数的寻址方式。 3.1 指令系统的设计 指令设计的相关因素 操作类型的数量：决定操作码的位数。 操作数的数量：采用几个操作数，每个操作数均应包括寻址模式编码。有时操作数是隐含的。 寻址方式数量：有时寻址方式可以是隐含的（由操作码决定） 。 寄存器数量 ：确定寄存器编码的位数。 地址范围：存储器直接寻址很少见，但变址（或基址）寻址时，较大的寻址范围必须以较多的displacement位数为前提。 编址粒度(Address Granularity)：字节编址或字编址。字节编址方便，但要以更多的地址位数为代价。 3.1 指令系统的设计 指令设计 指令编码设计首先考虑指令编码