【正文】 1/90 ▲ 第 2章 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 尋址方式 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 操作數(shù)的類型和大小 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3/90 ▲ 1. 區(qū)別不同指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 主要因素 CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的類型 2. CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元 ? 堆棧 ? 累加器 ? 通用寄存器組 3. 將指令系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三種類型 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 4/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 ? 堆棧結(jié)構(gòu) ? 累加器結(jié)構(gòu) ? 通用寄存器結(jié)構(gòu) 根據(jù)操作數(shù)的來(lái)源不同，又可進(jìn)一步分為 : ? 寄存器 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) （ RM結(jié)構(gòu)） (操作數(shù)可以來(lái)自存儲(chǔ)器 ) ? 寄存器 寄存器結(jié)構(gòu) （ RR結(jié)構(gòu)） (所有操作數(shù)都是來(lái)自通用寄存器組 ) 也稱為 loadstore結(jié)構(gòu)，這個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)：只有l(wèi)oad指令和 store指令能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器。 5/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 4. 對(duì)于不同類型的結(jié)構(gòu)，操作數(shù)的位置、個(gè)數(shù)以及操作數(shù)的給出方式（顯式或隱式）也會(huì)不同。 ? 顯式給出：用指令字中的操作數(shù)字段給出 ? 隱式給出：使用事先約定好的單元 6/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 例 : 表達(dá)式 Z=X+Y在 4種類型指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的代碼。 假設(shè)： X、 Y、 Z均保存在存儲(chǔ)器單元中，并且不能 破壞 X和 Y的值。 堆 棧 累加器 寄存器（ RM型） 寄存器（ RR型） push X load X load R1， X load R1， X push Y add Y add R1， Y load R2， Y add store Z store R1， Z add R3， R1， R2 pop Z store R3， Z 7/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 5. 通用寄存器型結(jié)構(gòu) ? 現(xiàn)代指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主流 ? 在靈活性和提高性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì) ? 跟其它的 CPU內(nèi)部存儲(chǔ)單元一樣，寄存器的訪問(wèn) 速度比存儲(chǔ)器快。 ? 對(duì)編譯器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。 ? 寄存器可以用來(lái)存放變量。 （ 1） 減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，加快程序的執(zhí)行速度； （因?yàn)榧拇嫫鞅却鎯?chǔ)器快） 8/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 （ 2） 用更少的地址位（相對(duì)于存儲(chǔ)器地址來(lái)說(shuō)）來(lái)對(duì)寄 存器進(jìn)行尋址，從而有效地減少程序的目標(biāo)代碼的 大小。 6. 根據(jù) ALU指令的操作數(shù)的兩個(gè)特征對(duì)通用寄存器型結(jié) 構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分 ? ALU指令的操作數(shù)個(gè)數(shù) ? 3個(gè)操作數(shù)的指令 兩個(gè)源操作數(shù)、一個(gè)目的操作數(shù) ? 2個(gè)操作數(shù)的指令 其中一個(gè)操作數(shù)既作為源操作數(shù)，又作為目的操作數(shù)。 9/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 ? ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù) 可以是 0～３ 中的某一個(gè)，為 0表示沒(méi)有存儲(chǔ)器操作數(shù)。 ALU指令中存 儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù) ALU指令中 操作數(shù)的最多個(gè)數(shù) 結(jié)構(gòu) 類型 機(jī)器實(shí)例 0 3 RR MIPS， SPARC， Alpha，PowerPC， ARM 1 2 RM IBM 360/370， Intel 80x86， Motorola 68000 3 RM IBM 360/370 2 2 MM VAX 3 3 MM VAX 7. ALU指令 中操作數(shù)個(gè)數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)個(gè)數(shù)的典型組合 11/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 8. 通用寄存器型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為 3種類型 ? 寄存器－寄存器型（ RR型） ? 寄存器－存儲(chǔ)器型（ RM型） ? 存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型（ MM型 ） 9. 3種通用寄存器型結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 表中 (m， n)表示指令的 n個(gè)操作數(shù)中有 m個(gè)存 儲(chǔ)器操作數(shù)。 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 寄存器－寄存器型 （ 0， 3） 指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近。 與指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用的空間比較大。 寄存器－存儲(chǔ)器型 （ 1， 2） 可以在 ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用 load指令進(jìn)行加載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，目標(biāo)代碼比較緊湊。 指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來(lái)源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大。 存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型 （ 2， 2） 或（ 3， 3） 目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)置寄存器來(lái)保存變量。 指令字長(zhǎng)變化很大，特別是 3操作數(shù)指令。而且每條指令完成的工作也差別很大。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。這種類型的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已不用了。 13/90 ▲ 1. 尋址方式 ： 指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址。 ? 尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。 ? 對(duì)于存儲(chǔ)器操作數(shù)來(lái)說(shuō)，由尋址方式確定的存儲(chǔ)器地址稱為 有效地址 。 尋址方式 14/90 ▲ 尋址方式 2. 一些操作數(shù)尋址方式 ? ?： 賦值操作 ? Mem： 存儲(chǔ)器 ? Regs： 寄存器組 ? 方括號(hào)： 表示內(nèi)容 ? Mem[ ]：存儲(chǔ)器的內(nèi)容 ? Regs[ ]：寄存器的內(nèi)容 ? Mem[Regs[R1]]：以寄存器 R1中的內(nèi)容作為地址的 存儲(chǔ)器單元中的內(nèi)容 尋址方式 指令實(shí)例 含 義 寄存器尋址 ADD R1 , R2 Regs[R1]←Regs[R 1]＋ Regs[R2] 立即值尋址 ADD R3 , 6 Regs[R3]←Regs[R 3]＋ 6 偏移尋址 ADD R3 , 120(R2) Regs[R3]←Regs[R 3]＋ Mem[120+Regs[R2]] 寄存器間接尋址 ADD R4 , (R2) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[Regs[R2]] 索引尋址 ADD R4 , (R2 + R3) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[Regs[R2]+Regs[R3]] 直接尋址或 絕對(duì)尋址 ADD R4 , (1010) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[1010] 存儲(chǔ)器間接尋址 ADD R2 , @(R4) Regs[R2]←Regs[R 2]＋ Mem[Mem[Regs[R4]]] 自增尋址 ADD R1 , (R2)+ Regs[R1]←Regs[R 1]＋ Mem[Regs[R2]] Regs[R2]←Regs[R 2]＋ d 自減尋址 ADD R1, (R2) Regs[R2]←Regs[R 2]－ d Regs[R1]←Regs[R 1]+Mem[Regs[R2]] 縮放尋址 ADD R1 , 80(R2)[R3] Regs[R1]←Regs[R 1] ＋ Mem[80 ＋ Regs[R2] ＋Regs[R3]*d] 16/90 ▲ 尋址方式 采用多種尋址方式可以顯著地減少程序的指令條 數(shù) ，但可能增加計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及指令的 CPI。 17/90 ▲ 尋址方式 1% 0% 24% 43% 32% 6% 16% 3% 17% 55% 1% 6% 1 1 % 39% 40% 0% 1 0 % 2 0 % 3 0 % 4 0 % 5 0 % 6 0 % 7 0 % 存儲(chǔ)器間接尋址 縮放尋址 寄存器間接尋址 立即數(shù)尋址 偏移尋址 Tex S p i c e gcc 立即數(shù)尋址方式 和 偏移尋址方式 的使用頻度最高。 3. 各種尋址方式的使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果 在 VAX機(jī)器上運(yùn)行 gcc、 Spice和 Tex 基準(zhǔn)程序 18/90 ▲ 尋址方式 4. 立即數(shù)尋址方式 ? 立即數(shù)尋址方式的使用頻度 指令類型 使用頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 load指令 23% 22% ALU指令 25% 19% 所有指令 21% 16% 大約 1/4的 load指令 和 ALU指令 采用了立即數(shù)尋址。 19/90 ▲ 尋址方式 5. 兩種表示尋址方式的方法 ? 將尋址方式編碼于操作碼中，由操作碼描述相應(yīng)操作的尋址方式。 適合 ：處理機(jī)采用 loadstore結(jié)構(gòu)，尋址方式只有很少幾種。 ?