【正文】 SC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng) 1. CISC指令系統(tǒng)的 一大特點(diǎn) 指令數(shù)量多、功能多樣 2. 增強(qiáng)指令功能主要是從以下 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。 53/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 操作碼 地址碼 操作碼 地址碼 地址描述符 地址描述符 1 地址描述符 2 操作碼 地址碼 1 地址描述符 地址碼 2 ? 混合型編碼格式 ? 提供若干種固定的指令字長。 ? 可以有效地降低譯碼的復(fù)雜度，提高譯碼的速度。 操作碼 地址描述符 1 地址碼 1 地址描述符 n 地址碼 n ? 52/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 操作碼 地址碼 1 地址碼 2 地址碼 3 ? 固定長度編碼格式 ? 將操作類型和尋址方式一起編碼到操作碼中。 ? 用最少的二進(jìn)制位來表示目標(biāo)代碼。 寄存器－寄存器型 操作碼 R 訪存地址 立即操作數(shù) R 寄存器－存儲器型 操作碼 R 帶立即操作數(shù) 操作碼 R R 50/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 3. 考慮因素 ? 計(jì)算機(jī)中寄存器的個(gè)數(shù)和尋址方式的數(shù)目對機(jī)器的指令字長有很大的影響； ? 指令字的平均長度增加了，程序的平均長度也就增加了； ? 在指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要在指令字長與寄存器的個(gè)數(shù)以及尋址方式的個(gè)數(shù)之間進(jìn)行折中。 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。 ? 以程序的存儲空間為代價(jià)來換取硬件實(shí)現(xiàn)上的好處。 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）。若在頭 15種 指令中 pi 的值都比較大，但在后 30種 指令后急劇減少，則應(yīng)選擇 15/15/15法；若 pi 的值在頭 8種 指令中較大，之后的 64種 指令的 pi值也不太低，則應(yīng)選擇 8/64/512法。 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 。 44/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 用兩位的 00、 0 10分別用于表示使用頻度高的 I II3，然后用 11作為高位擴(kuò)展出 4個(gè) 4位的二進(jìn)制編碼，用于表示剩下的 4條指令。 ? 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。 o g712 ?? ??iii ppH －41/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1 1. 00 0. 60 0. 30 0. 15 0. 06 0. 09 0. 03 0. 03 0. 04 0. 40 0. 30 0. 15 0. 05 哈夫曼樹舉例 42/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 該哈夫曼編碼的平均碼長是： 其信息冗余量為 71?? ??iiilpL1 . 3 6 %2 . 2 02 . 1 72 . 2 0 ?－43/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 優(yōu)缺點(diǎn)： 可以減少操作碼的平均位數(shù)，但所獲得的編碼是變長度的，不規(guī)整，不利于硬件處理。 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。在該樹中，對每個(gè)結(jié)點(diǎn)向下的兩個(gè)分支，分別用二進(jìn)制 “ 1”和 “ 0”來表示。 (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。 ? 表示用二進(jìn)制編碼表示 n個(gè)碼點(diǎn)時(shí)，理論上的最短平均編碼長度 。 ? 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。 ? 構(gòu)造哈夫曼樹的方法 ? 將各事件按其使用頻度從小到大依次排列 ； ? 每次從中選擇兩個(gè)頻度值最小的結(jié)點(diǎn)，將其合并成一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)，并把新結(jié)點(diǎn)畫在所選結(jié)點(diǎn)的上面， 37/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 然后用兩條邊把新結(jié)點(diǎn)分別與那兩個(gè)結(jié)點(diǎn)相連。 ? 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。 ? 現(xiàn)在較新的指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則要求由編譯器生成load和 store指令來保存或恢復(fù)寄存器的內(nèi)容。至少也得保存返回地址（放在專用的鏈接寄存器或堆棧中）。 （ PC相對尋址） ? 優(yōu)點(diǎn) ? 有效地減少表示該目標(biāo)地址所需要的位數(shù) ? 位置無關(guān)（代碼可被裝載到主存的任意位置執(zhí)行） ? 關(guān)鍵： 確定偏移量字段的長度 ? 模擬結(jié)果表明：采用 4～ 8位 的偏移量字段（以指令字為單位）就能表示大多數(shù)控制指令的轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址了。 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。 條件寄存器 比較指令把比較結(jié)果放入任何一個(gè)寄存器，檢測時(shí)就檢測該寄存器。 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)。 ? 分支： 當(dāng)控制指令是有條件改變控制流時(shí)，則稱之為分支指令。 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。 （產(chǎn)生了兩類不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ） ? CISC（復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)） ? 增強(qiáng)指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實(shí) 現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。 ? 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。 28/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 正交性 ：在指令中各個(gè)不同含義的字段，如操作類型、數(shù)據(jù)類型、尋址方式字段等，在編碼時(shí)應(yīng)互不相關(guān)、相互獨(dú)立。 ? 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。 例如： 在存儲單元的使用上，所有通用寄存器都要同等對 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。 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 24/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 特點(diǎn) 速度快、成本高、靈活性差 ? 軟件實(shí)現(xiàn)的 特點(diǎn) 速度慢、價(jià)格便宜、靈活性好 3. 對指令系統(tǒng)的