【正文】 3個(gè)方面著手： 面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能 面向高級語言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來改進(jìn)指令系統(tǒng) 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng) 55/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能 ? 對大量的目標(biāo)程序及其執(zhí)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出那些使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長的指令或指令串。 ? 可以有效地降低譯碼的復(fù)雜度，提高譯碼的速度。 ? 用最少的二進(jìn)制位來表示目標(biāo)代碼。 指令字格式的優(yōu)化 空白浪費(fèi) 空白浪費(fèi) 定長指令字長度 L 地址碼 操作碼 地址碼 地址碼 操作碼 操作碼 49/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2. 采用地址個(gè)數(shù)可變和 /或地址碼長度可變的方案 ? 利用操作碼縮短所帶來的好處 ? 最常用的操作碼最短，其地址字段個(gè)數(shù)最多。 46/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 15 0000 0001 1 1 10 … 15 1 1 1 1 00 00 1 1 1 1 00 01 1 1 1 1 1 1 1 0 … 15 1 1 1 1 1 1 1 1 000 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 … 1 1 1 1 1 1 1 1 000 0 15/15/15 編碼法 8 0 00 1 0 00 0 0 1 1 1 … 64 1 00 0 1 00 0 1 1 1 1 … 0 00 1 0 00 0 0 1 1 1 512 1 00 0 1 00 0 1 1 1 1 … 1 00 0 1 00 0 1 1 1 1 0 00 1 0 00 0 0 1 1 1 8/64/512 編碼法 47/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 3. 定長操作碼 ? 固定長度的操作碼 ：所有指令的操作碼都是同一的長度（如 8位）。 71???iiilp45/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2. 等長擴(kuò)展碼 ? 為了便于分級譯碼，一般都采用 等長擴(kuò)展碼 。 ? 采用有限幾種固定長度的碼長，仍然采用高概率的用短碼、低概率用長碼的哈夫曼壓縮思想，使操作碼平均長度縮短。 具體方法 ：對于任意一條指令 Ii （ i=1， 2， … ， 7），從哈 夫曼樹根結(jié)點(diǎn)出發(fā)、沿一條路徑連接到葉結(jié)點(diǎn) Ii，把途中所經(jīng)過的各 分支的 “ 0”和 “ 1”按從左到右的順序記錄下來，便是該指令的哈夫曼 編碼。 (1) 計(jì)算這 7條指令的操作碼編碼的最短平均碼長； (2) 畫出哈夫曼樹，寫出這 7條指令的哈夫曼編碼，并計(jì)算該 編碼的平均碼長和信息冗余量。 ? 把新結(jié)點(diǎn)與其他剩余未結(jié)合的結(jié)點(diǎn)一起，再以上面的步驟進(jìn)行處理，反復(fù)進(jìn)行，直到全部結(jié)點(diǎn)都結(jié)合完畢、形成根結(jié)點(diǎn)為止。 ? 指令格式的優(yōu)化 ：如何用最短的位數(shù)來表示指令的操作信息和地址信息。至少也得保存返回地址（放在專用的鏈接寄存器或堆棧中）。 用一條指令（而不是兩條）就能實(shí)現(xiàn)分支 當(dāng)采用流水方式時(shí)，該指令的操作可能太多，在一拍內(nèi)做不完。 4. 分支條件的方法及其優(yōu)缺點(diǎn) 名 稱 檢測分支條件的方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 條件碼 （ CC） 檢測由 ALU操作設(shè)置的一些特殊的位（即 CC） 可以自由設(shè)置分支條件 條件碼是增設(shè)的狀態(tài)。 30/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1. 控制指令是用來改變控制流的。 ? 兼容性： 主要是要實(shí)現(xiàn)向后兼容，指令系統(tǒng)可以增加新指令，但不能刪除指令或更改指令的功能。 ? 均勻性： 指對于各種不同的操作數(shù)類型、字長、操作 種類和數(shù)據(jù)存儲單元，指令的設(shè)置都要同等對待。 26/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 操作類型 實(shí) 例 算術(shù)和邏輯運(yùn)算 算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作：加，減，乘，除，與，或等 數(shù)據(jù)傳輸 load， store 控制 分支，跳轉(zhuǎn)，過程調(diào)用和返回，自陷等 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)調(diào)用，虛擬存儲器管理等 浮點(diǎn) 浮點(diǎn)操作：加，減，乘，除，比較等 十進(jìn)制 十進(jìn)制加，十進(jìn)制乘，十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換等 字符串 字符串移動，字符串比較，字符串搜索等 圖形 像素操作，壓縮 /解壓操作等 27/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 規(guī)整性： 主要包括對稱性和均勻性。 22/90 ▲ 尋址方式 8 個(gè)字節(jié) 字節(jié) 半字 單字 雙字 字節(jié) 雙字 單字 單字 字節(jié) （ a ） 8 個(gè)字節(jié) 字節(jié) 單字 字節(jié) 雙字 單字 字節(jié) （ b ） 浪費(fèi) 浪費(fèi) 半字 23/90 ▲ 1. 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ? 首先考慮所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能，確定哪些基本功能應(yīng)該由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)比較合適。 ? 主存寬度為 8個(gè)字節(jié)。 ? 靈活，操作碼短，但需要設(shè)置專門的尋址方式字段，而且操作碼和尋址方式字段合起來所需要的總位數(shù)可能會比隱含方法的總位數(shù)多。 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。 ? 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)存儲器操作數(shù)。而且每條指令完成的工作也差別很大。在一條指令中同時(shí)對寄存器操作數(shù)和存儲器操作數(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)。 與指令中含存儲器操作數(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。 6. 根據(jù) ALU指令的操作數(shù)的兩個(gè)特征對通用寄存器型結(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)。 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 ? 跟其它的 CPU內(nèi)部存儲單元一樣，寄存器的訪問 速度比存儲器快。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中用來存儲操作數(shù)的存儲單元的類型 2. CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元 ? 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)的來源不同，又可進(jìn)一步分為 : ? 寄存器 存儲器結(jié)構(gòu) （ RM結(jié)構(gòu)） (操作數(shù)可以來自存儲器 ) ? 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指令能夠訪問存儲器。 假設(shè)： X、 Y、 Z均保存在存儲器單元中，并且不能 破壞 X和 Y的值。 （ 1） 減少對存儲器的訪問，加快程序的執(zhí)行速度； （因?yàn)榧拇嫫鞅却鎯ζ骺欤? 8/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 （ 2） 用更少的地址位（相對于存儲器地址來說）來對寄 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。 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） 指令字長固定，指令結(jié)構(gòu)簡潔，是一種簡單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近。 指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對稱。 指令字長變化很大，特別是 3操作數(shù)指令。 13/90 ▲ 1. 尋址方式 ： 指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。 17/90 ▲ 尋址方式 1% 0% 24% 43%