《计算机系统结构》 课件 第二章 指令系统.ppt

地址码的优化地址码是指令字中的另一部分重要信息，其编码长度主要与指令中地址码的个数、操作数存放的位置（通用寄存器、主存储器、堆栈等）、存储设备的寻址空间大小、编址方式、寻址方式等有关。操作码优化编码使其具有多种长度，在不同的主存存储方式中，会产生不同的结果。如果主存是按位编址，指令连续存储（如图2.7所示），则操作码的优化表示会直接使程序总存储位数减少。然而，有些指令却因出现跨边界存储而需两个主存周期才能读出，这会使机器速度明显下降。为了保持访存取指令的速度，指令字遵循按整数边界存储的原则。如果地址码的长度固定，则操作码优化所带来的位数的减少，可能只会使指令字内出现空白浪费（冗余），却并不能减少程序的总位数，如图2.8所示。因此，要使操作码长度因优化缩短而出现的空位被充分利用，只有地址码也是可变长的，可以占用这些位，这就必须对地址码部分进行优化。一个操作数的地址码长度可以有很宽的变化范围，1.由于指令中操作数个数的不同可采用多种地址制，如零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令等，如图2.9所示。2.同一种地址制还可采用多种地址形式和长度，也可以考虑利用空白位直接存放操作数或常数等，如图2.10所示。3.在指令中采用多种寻址方式，可以在地址码长缩短的情况下满足较大寻址范围的要求。如操作数的寻址可采用基址寻址、基址加变址寻址、段寻址、寄存器寻址、相对寻址、寄存器间接寻址等多种寻址方式并可分别具有不同的码长。变长的地址码和优化的可变长操作码相配合，才能最终减少程序的总位数。3．指令格式优化通过前面对操作码和地址码的优化问题的讨论，应得到指令格式的优化设计可由以下方法实现。运用Huffman压缩思想实现操作码的可变长优化表示。多种不同的寻址方式、地址制、地址形式和地址码长度与可变长操作码相结合。让最常用的指令操作码最短，同时令其具有最多的地址码字段信息使其指令的功能增强。可减少指令条数，提高运行速度，减步程序存储空间。使用频度低的指令操作码字段较长，但采用较少的地址码字段信息，使指令长度不增加，不增大程序存储空间。还可以进一步考虑采用多种指令字长度的指令格式，如单字长指令、双字氏指令、三字长指令等。这比只有一种长度的定长指令字方式更能减少信息的冗余量，缩短程序的长度。[例2.4]某模型机共有七条指令，各指令的使用频度分别为35%、25%、20%、10%、5%、3%、2%。该模型机有8位和16位两种指令字长，采用2-4扩展操作码。8位字长指令为寄存器一寄存器(R-R)二地址类型，16位字长指令为寄存器一存储器(R-S)二地址变址寻址（-128≤变址范围≤127）类型。(1)设计该机的两种指令格式，标出各字段位数并给出操作码编码。(2)该机允许使用多少个可编址的通用寄存器？多少个变址寄存器？(3)计算操作码的平均码长。解：(1)七条指令的2-4扩展操作码编码如表2.5所示。为了加快高使用频度指令的执行速度并减少程序存储开销，设计有2位操作码长度的三条指令采用短指令格式且操作在通用寄存器之间进行，而其他的指令则采用长指令格式，操作在寄存器和存储器之间进行。由于R-R型指令长度为8位，操作码占2位，所以源、目的寄存器编码部分各占3位，其格式如下：由变址寻址的位移量范围（-128～+127）可知，R-S型指令格式中偏移地址占8位，由于操作码占4位，源寄存器编码占3位，R-S型指令长度为16位，所以变址寄存器的编码只占1位，R-S型指令格式如下：(2)由(1)中设计的指令格式中通周寄存器编码占3位，变址寄存器编码占1位可知：该机允许使用八个可编址的通用寄存器和两个变址寄存器。(3)根据表2.5计算操作码的平均码长为2.3计算机指令系统的发展方向一个方向：增强指令功能，软件功能向硬件功能转移，CISC另一个方向：降低指令功能及结构复杂度，达到简化实现，提高性能的目的，RISCCISC方向改进指令系统1.面向目标程序增强指令功能对于大量的目标程序及其执行情况分析，发现有一些指令或者指令串使用的频率很高，就可以用一条新的指令代替，较少存取指令次数，加快执行，减小程序代码高运算型指令功能提高传送指令功能增加程序控制指令功能面向高级语言的优化实现改进高级语言经过编译程序生成的目标程序往往比直接机器语言编写的程序长，运算时间长1.增强对高级语言和编译系统支持的指令系统2.高级语言计算机指令系统面向操作系统的优化实现改进指令系统可以通过设置操作系统专用指令达到优化操作系统的功能CISC结构特点1.指令系统庞大2.指令格式复杂3.执行速度很低，不利于采用流水线4.系统指令使用频度相差悬殊RISCPatterson