§3指令系统的设计及优化.ppt

§3 指令系统的设计和优化 指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面 指令系统是计算机系统结构的主要组成部分 指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志 指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁 指令系统与软件之间的语义差距越来越大 指令系统的设计主要包括指令的功能（操作类型、具体操作内容）和指令格式的设计. 内容 指令系统设计的基本原则 指令操作码的优化 指令字格式的优化 指令设计的步骤 根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令； 试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序； 对各种算法白那些大量测试程序进行模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高； 将程序中高频出现的指令串复合改成一条强攻能新指令，即改用硬件方式实现；而将频度很低的指令的操作改成基本的指令组成的指令串来完成，即用软件方式实现； 指令类型 非特权型：主要供应应用程序员使用，也可供系统程序员使用，包括算术逻辑运算、数据传送、浮点运算、字符串、十进制运算、控制转移及系统控制等； 特权型：系统程序员使用，用户无权使用，有启动I/O（多用户环境下）、停机等待、存储管理保护、控制系统状态、诊断等； 指令系统的设计 设计的原则：如何支持编译系统能高效、简易地将源程序翻译成目标代码。 规整性 对称性 独立性和全能性 正交性 可组合性 可扩充性 系统设计人员希望 指令码密度适中 高密度指令：强功能符合指令 优点：减少程序长度、访存次数、Cache、虚存访问调度次数、程序运行时间； 缺点：指令系统复杂，硬件实现困难； 兼容性 适应性 指令系统的设计包含的内容 指令的格式 指令的类型 操作功能 操作数的访问方式---寻址方式 指令的组成 一般的指令主要由两部分组成：操作码和地址码 操作码主要包括两部分内容： 操作种类：加、减、乘、除、数据传送、移位、转移、输入输出 操作数描述 数据的类型：定点数、浮点数、复数、字符、字符串、逻辑数、向量 进位制：2进制、10进制、16进制 数据字长：字、半字、双字、字节 地址码通常包括三部分内容： 地址：直接地址、间接地址、立即数、寄存器编号、变址寄存器编号 地址的附加信息：偏移量、块长度、跳距 寻址方式：直接寻址、间接寻址、立即数寻址、变址寻址、相对寻址、寄存器寻址 指令设计要考虑的问题 操作数的存储形式 存储器 CPU内什么地方 每条指令中显式说明的操作数个数 操作数的位置 操作类型 操作数的类型和长短 指令的分类 指令格式的优化 指令=操作码+地址码 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，使程序中指 令的平均字长最短。 主要目标： 节省程序的存储空间 指令格式尽量规整，便于译码 操作码的优化表示 操作码的三种编码方法： 固定长度： 规整性好，解码简单，空间大。 IBM公司的大中型机：最左边8位为操作码 Intel公司的Intanium处理机：14位定长操作码 许多RISC处理机采用定长操作码 Huffman编码：空间小，规整性不好，解码复杂。 扩展编码： 折衷方案。 改进操作码编码方式能够节省程序存储空间 例如：Burroughs公司的B-1700机 哈夫曼（Huffman）压缩 当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现概率较低的允许用较长的位数（时间）来表示（处理），以达到平均位数减少的目的。 用于代码压缩、程序压缩、空间压缩和时间压缩 操作码的优化表示 信息源熵：信息源包含的平均信息量。 信息冗余量： 举例 七条指令，频度如下 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 0.4 0.3 0.15 0.05 0.04 0.03 0.03 信息源熵H=2.17 信息冗余量=0.28=28% 扩展编码 Huffman操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成 减少平均长度 方便译码 上例：Huffman用四种长度 0，10，110，11100，11101，11110，11111 I1、I2、I3用两位：00、01、10 I4、I5、I6、I7用四位： 1100、1101、1110、1111 平均码长=2.30 信息冗余量=0.0565=5.65% Huffman编码方法 写出每个事