計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第5講）-預(yù)覽頁
【正文】 111 6位 采用 3位固定長操作 碼的信息冗余量為： ? ? % o g1 2 ????? HR操作碼編碼 說明 0000 0001 …… 0111 4位長度的操作碼 共 8種 等長 8/64/512…… 擴(kuò)展編碼法 1000 0000 1000 0001 …… 1111 0111 8位長度的操作碼 共 64種 1000 1000 0000 1000 1000 0001 …… 1111 1111 0111 12位長度的操作碼 共 512種 編碼方法 不等長操作碼 (4/6/10)擴(kuò)展編碼法 4位 指令操作碼的長度 6位 10位 指令 種類 15/3/16 15 3 16 34 8/31/16 8 31 16 55 8/30/32 8 30 32 70 8/16/256 8 16 256 280 4/32/256 4 32 256 292 指令格式設(shè)計(jì)舉例 指令的長度： 有固定長度和可變長度兩種 操作碼長度： 有固定長度和可變長度兩種 例如： IBM370系列機(jī)，操作碼長度固定： 8位 指令長度有 16位、 32位和 48位等多種 地址個(gè)數(shù)以兩地址為主 16個(gè)通用寄存器可兼做變址寄存器和基址寄存器使用 OPC L B1 D1 B2 D2 8 8 4 12 4 12 SS型 OPC R1 8 4 RR型 OPC R1 X2 B2 8 4 4 4 RX型 D2 12 OPC Rn Rm B 8 4 4 4 RS型 D 12 OPC I2 B1 8 8 4 SI型 D1 12 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 8講） 第二章 指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)表示 尋址技術(shù) 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) RISC指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) 完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性 指令的組成 五類：數(shù)據(jù)傳送，運(yùn)算，程序控制，輸入輸出，處理機(jī)控制和調(diào)試 數(shù)據(jù)傳送類指令 由如下 三個(gè)主要因素 決定： 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的種類 數(shù)據(jù)單位：字、字節(jié)、位、數(shù)據(jù)塊等 采用的尋址方式 指令種類 （以字為傳送單位，不考慮尋址方式等）： 通用寄存器 ? 通用寄存器 通用寄存器 ? 主存儲(chǔ)器 通用寄存器 ? 堆棧 主存儲(chǔ)器 ? 通用寄存器 主存儲(chǔ)器 ? 主存儲(chǔ)器 主存儲(chǔ)器 ? 堆棧 堆棧 ? 通用寄存器 堆棧 ? 主存儲(chǔ)器 運(yùn)算類指令 考慮四個(gè)因數(shù)的組合： (1) 操作種類： 加、減、乘、除、與、或、非、異或、比較、移位、檢索、轉(zhuǎn)換、匹配、清除、置位等 (2) 數(shù)據(jù)表示： 定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、十進(jìn)制、字符串、定點(diǎn)向量等 (3) 數(shù)據(jù)長度： 字、雙字、半字、字節(jié)、位、數(shù)據(jù)塊等 (4) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備： 通用寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧等 以加法指令為例，一般應(yīng)設(shè)置如下幾種： 寄存器 寄存器型的定點(diǎn)單字長加法指令 寄存器 寄存器型的定點(diǎn)雙字長加法指令 寄存器 寄存器型的定點(diǎn)半字加法指令 寄存器 寄存器型的字節(jié)加法指令 寄存器 寄存器型的浮點(diǎn)單字長加法指令 寄存器 寄存器型的浮點(diǎn)雙字長加法指令 寄存器 寄存器型的單字長邏輯加法指令 寄存器 寄存器型的定點(diǎn)向量加法指令 寄存器 寄存器型的浮點(diǎn)向量加法指令 移位指令，要組合以下三個(gè)因素： 移位方向： 左移 (L)、 右移 (R) 移位種類： 算術(shù)移位 (A)、 邏輯移位 (L)、 循環(huán)移位 (R) 移位長度： 單字長 (S)、 雙字長 (D) 組合起來共有： 3 2 2＝ 12種 ，因邏輯左移與算術(shù)左移相同，因此移位指令應(yīng)該有 10種 ，分別是： SLAS 單字長算術(shù)左移 SRAS 單字長算術(shù)右移 SLLS(SRLS) 單字長邏輯左移， 或單字長算術(shù)左移 SLRS 單字長循環(huán)左移 SRRS 單字長循環(huán)右移 SLAD 雙字長算術(shù)左移 SRAD 雙字長算術(shù)右移 SLLD(SRLD) 雙字長邏輯左移， 或雙字長算術(shù)左移 SLRD 雙字長循環(huán)左移 SRRD 雙字長循環(huán)右移 位操作指令： 置位、清位、位測試、找位等 字符串指令： 比較、查找、匹配、轉(zhuǎn)換等 程序控制指令 主要包括 三類 ：轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用和返回指令、 循環(huán)控制指令 轉(zhuǎn)移條件 有：零 (Z)、 正負(fù) (N)、 進(jìn)位 (C)、 溢出 (V)及它們的組合 主要 條件轉(zhuǎn)移指令 有： BEQ 等于零轉(zhuǎn)移 BNEQ 不等于零轉(zhuǎn)移 BLS 小于轉(zhuǎn)移 BGT 大于轉(zhuǎn)移 BLEQ 小于等于轉(zhuǎn)移，或不大于轉(zhuǎn)移 BGEQ 大于等于轉(zhuǎn)移，或不小于轉(zhuǎn)移 BLSU 不帶符號(hào)小于轉(zhuǎn)移 BGTU 不帶符號(hào)大于轉(zhuǎn)移 BLEQU 不帶符號(hào)小于等于轉(zhuǎn)移， 或不帶符號(hào)不大于轉(zhuǎn)移 BGEQU 不帶符號(hào)大于等于轉(zhuǎn)移， 或不帶符號(hào)不小于轉(zhuǎn)移 BCC 沒有進(jìn)位轉(zhuǎn)移 BCS 有進(jìn)位轉(zhuǎn)移 BVC 沒有溢出轉(zhuǎn)移 BVS 有溢出轉(zhuǎn)移 程序調(diào)用和返回指令： CALL 轉(zhuǎn)入子程序 RETURN 從子程序返回， 本身可以帶有條件 中斷控制指令 開中斷、關(guān)中斷、改變屏蔽、 中斷返回、自陷等 輸入輸出指令 主要有： 啟動(dòng)、停止、測試、控制設(shè)備，數(shù)據(jù)輸入、輸出操作等采用單一的直接尋址方式， 在多用戶或多任務(wù)環(huán)境下，輸入輸出指令屬于特權(quán)指令 也可以不設(shè)置輸入輸出指令，輸入輸出設(shè)備與主存儲(chǔ)器共用同一個(gè)零地址空間 處理機(jī)控制和調(diào)試指令 處理機(jī)狀態(tài)切換指令 處理機(jī)至少有兩個(gè)或兩個(gè)以上狀態(tài) 硬件和軟件的調(diào)試指令 硬件調(diào)試指令： 鑰匙位置、開關(guān)狀態(tài)的讀取寄存器 和主存單元的顯示等 軟件調(diào)試指令： 斷點(diǎn)的設(shè)置、跟蹤，自陷井指令等 指令系統(tǒng)性能 完整性 是指應(yīng)該具備的基本指令種類，通用計(jì)算機(jī)必須有５類基本指令 規(guī)整性 包括對稱性和均勻性 對稱性 ：所有寄存器頭等對待操作碼的設(shè)置等都要對稱，如： A－ B與 B－ A 均勻性 ：不同的數(shù)據(jù)類型、字長、存儲(chǔ)設(shè)備、操作種類要設(shè)置相同的指令 高效率 ：指令的執(zhí)行速度要快；指令的使用頻度要高；各類指令之間要有一定的比例 兼容性 ：在同一系列機(jī)內(nèi)指令系統(tǒng)不變（可以適當(dāng)增加） 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有 兩個(gè)截然相反的方向 ： 1. 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) CISC (Complex Instruction Set Computer) 增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令 面向目標(biāo)代碼、高級(jí)語言和操作系統(tǒng) 用一條指令代替一串指令 2. 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) RISC (Reduced Instruction Set Computer) 只保留功能簡單的指令 功能較復(fù)雜的指令用子程序來實(shí)現(xiàn) 下一節(jié)主要介紹 RISC 第二章 指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)表示 尋址技術(shù) 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) RISC指令系統(tǒng) 精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) RISC 從 CISC到 RISC 70年代 ，指令系統(tǒng)已非常龐大，指令功能相當(dāng)復(fù)雜（見下頁表）。 CPI RISC的關(guān)鍵技術(shù) 延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù) 定義： 為了使指令流水線不斷流，在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條不相關(guān)的有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令被延遲執(zhí)行，這種技術(shù)稱為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。如果 (r3)＝ (r4)則轉(zhuǎn)移到 next 4: add r4, r5 …… n: next: move r4, a 調(diào)整后的指令序列： 1: cmp r3, r4 。 例子： 調(diào)整前 調(diào)整后 loop: X X X X X X Y Y Y loop: Y Y Y …… …… Z Z Z Z Z Z cmp r1, r2, loop cmp r1, r2, loop W W W X X X W W W 效果： 能夠使指令流水線在絕大多數(shù)情況下不斷流，由于絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)移是成功的。若轉(zhuǎn)移，則取消 TTT T T T 。 例子： if (ab) then b=b+1 cmp =, ra, rb 。另外，要在主存中開辟一個(gè)堆棧，當(dāng)調(diào)用層數(shù)超過規(guī)定層數(shù)（寄存器溢出）時(shí)，把溢出部分的寄存器中內(nèi)容壓入堆
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