【正文】 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。 指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱(chēng)。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。 指令字長(zhǎng)變化很大，特別是 3操作數(shù)指令。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。 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。 ? 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(chēng)為 有效地址 。 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。 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。 ? 在指令字中設(shè)置專(zhuān)門(mén)的尋址字段，用以直接指出尋址方式。 適合 ：處理機(jī)具有多種尋址方式，且指令有多個(gè)操作數(shù)。 ? 信息有 字節(jié)、半字（雙字節(jié)）、單字（ 4字節(jié)）和雙字（ 8字節(jié)） 等寬度。采用按字節(jié)編址，各類(lèi)信息都是用該信息的首字節(jié)地址來(lái)尋址。 ? 必須做到： 信息在主存中存放的起始地址必須是該信息寬度（字節(jié)數(shù)）的整數(shù)倍 信息存儲(chǔ)的整數(shù)邊界概念 ? 滿(mǎn)足以下條件 ? 字節(jié)信息的起始地址為： … ? 半字信息的起始地址為： … ０ ? 單字信息的起始地址為： … ００ ? 雙字信息的起始地址為： … ０００ ? 存在存儲(chǔ)空間的浪費(fèi) ，但保證訪問(wèn)速度。 ? 包括 ? 指令的功能設(shè)計(jì) ? 指令格式的設(shè)計(jì) 2. 在確定哪些基本功能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要考慮 3個(gè)因素： 速度、成本、靈活性。 25/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 要求指令系統(tǒng)功能齊全、使用方便 ? 下表為許多指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都包含的一些指令類(lèi)型 ? 前 4類(lèi) 屬于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本指令 ? 對(duì)于最后 4種類(lèi)型的操作，不同指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持大不相同 。 ? 對(duì)稱(chēng)性： 所有與指令系統(tǒng)有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、 操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱(chēng)的。在操作碼的設(shè)置上，如果設(shè)置了 A－ B的指 令，就應(yīng)該也設(shè)置 B－ A的指令。 例如： 如果某機(jī)器有 5種數(shù)據(jù)表示， 4種字長(zhǎng)，兩種存儲(chǔ)單 元，則要設(shè)置 5 4 2=40種同一操作的指令。 ? 高效率： 指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。 29/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 4. 在設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)時(shí)，有兩種截然不同的設(shè)計(jì)策略。 ? RISC（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)） ? 盡可能地把指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化，不僅指令的條數(shù)少，而且 指令的功能也比較簡(jiǎn)單。 ? 跳轉(zhuǎn)： 當(dāng)指令是無(wú)條件改變控制流時(shí)，稱(chēng)之為跳轉(zhuǎn)指令。 2. 能夠改變控制流的指令 ? 分支 ? 跳轉(zhuǎn) ? 過(guò)程調(diào)用 ? 過(guò)程返回 控制指令 31/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 3. 控制指令的使用頻度 （ loadstore型指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)器，基準(zhǔn)程序?yàn)?SPEC CPU2022） 指令類(lèi)型 使用頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 調(diào)用 /返回 19% 8% 跳轉(zhuǎn) 6% 10% 分支 75% 82% 改變控制流的大部分指令是 分支指令（條件轉(zhuǎn)移）。而且它限制了指令的執(zhí)行順序，因?yàn)橐ＷC條件碼能順利地傳送給分支指令。 簡(jiǎn)單 占用了一個(gè)寄存器 比較與分支 比較操作是分支指令的一部分，通常這種比較是受到一定限制的。 33/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 5. 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址的表示 ? 最常用的方法 在指令中提供一個(gè)偏移量，由該偏移量和程序計(jì)數(shù) 器（ PC）的值相加而得出目標(biāo)地址。 34/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 6. 過(guò)程調(diào)用和返回 ? 除了要改變控制流之外，可能還要 保存機(jī)器狀態(tài) 。 ? 過(guò)去有些指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了 專(zhuān)門(mén)的保存機(jī)制 來(lái)保存許多寄存器的內(nèi)容。 35/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 指令操作碼的優(yōu)化 ? 指令由兩部分組成： 操作碼、地址碼 ? 指令格式的設(shè)計(jì) 確定指令字的編碼方式，包括操作碼字段和地 址碼字段的編碼和表示方式。 36/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1. 哈夫曼編碼 ? 基本思想 ：當(dāng)各種事件發(fā)生的概率不均等時(shí)，可以對(duì)發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)（時(shí)間）來(lái)表示（處理），而對(duì)于出現(xiàn)概率較低的事件，則可以用較長(zhǎng)的位數(shù)（時(shí)間）來(lái)表示（處理），從而使總的平均位數(shù)（時(shí)間）縮短。 ? 新結(jié)點(diǎn)的頻度值是所選兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的頻度值的和。 0. 0 5 畫(huà)哈夫曼樹(shù)的一個(gè)基本步驟 0. 0 2 0. 0 3 38/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 操作碼優(yōu)化的程度可以用 信息熵 來(lái)衡量。 例 假設(shè)某模型機(jī)有 7條指令，這些指令的使用頻度如表左 邊所示。 ???niii ppH12l o g－39/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 指令 頻度 pi 操作碼使用哈夫曼編碼 操作碼 長(zhǎng)度 li 利用哈夫曼概念的擴(kuò)展操作碼 操作碼長(zhǎng)度 li I1 0 1 0 0 2 I2 1 0 2 0 1 2 I3 1 1 0 3 1 0 2 I4 1 1 1 0 0 5 1 1 0 0 4 I5 1 1 1 0 1 5 1 1 0 1 4 I6 1 1 1 1 0 5 1 1 1 0 4 I7 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 4 40/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 解 （ 1） （ 2）其哈夫曼樹(shù)如圖所示，該樹(shù)的每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于一條指 令。 從該哈夫曼樹(shù)可以很容易地寫(xiě)出哈夫曼編碼。上表中列出了所有指令的哈夫曼編碼。 ? 擴(kuò)展操作碼 ? 位于定長(zhǎng)二進(jìn)制編碼和哈夫曼編碼之間的一種編碼方案。 ? 上表中的指令，采用 24的擴(kuò)展操作碼，可以得到如表右邊所示的編碼方案。 ? 平均長(zhǎng)度 比哈夫曼編碼的 ，但很接近于 ，而且比定長(zhǎng)的 3位 編碼小很多。 （在早期的計(jì)算機(jī)上） 例如： 15/15/15法和 8/64/512法 ? 選用哪種編碼法取決于指令使用頻度 pi的分布。 ? 衡量標(biāo)準(zhǔn)： 看哪種編碼法能使平均碼長(zhǎng)最短。 許多計(jì)算機(jī)都采用（特別是 RISC結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)） ? 保證操作碼的譯碼速度、減少譯碼的復(fù)雜度。 48/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1. 如果指令字的寬度固定，地址碼的長(zhǎng)度和個(gè)數(shù)固定，則操作碼的縮短并不能帶來(lái)好處，只是使指令字中出現(xiàn)空白浪費(fèi)。 能夠使指令的功能增強(qiáng)，從總體上減少所需的指令條數(shù) 。 4. 指令系統(tǒng)的 3種編碼格式 可變長(zhǎng)度編碼格式、固定長(zhǎng)度編碼格式、混合型編碼格式 51/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 可變長(zhǎng)度編碼格式 ? 當(dāng)指令系統(tǒng)的尋址方式和操作種類(lèi)很多時(shí)，這種編碼格式是最好的。 ? 可能會(huì)使各條指令的字長(zhǎng)和執(zhí)行時(shí)間相差很大。 ? 當(dāng)尋址方式和操作類(lèi)型非常少時(shí)，這種編碼格式非常好。 ? 大部分 RISC的指令系統(tǒng)均采用這種編碼格式。 ? 以期達(dá)到既能夠減少目標(biāo)代碼長(zhǎng)度又能降低譯碼復(fù)雜度的目標(biāo)。對(duì)于使用頻度高的指令，用硬件加快其執(zhí)行；對(duì)于使用頻度高的指令串，用一條新的指令來(lái)替代。 ? 可以從以下幾個(gè)方面來(lái)改進(jìn)： ? 增強(qiáng)運(yùn)算型指令的功能 ? 增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送指令的功能 ? 增強(qiáng)程序控制指令的功能 56/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 例如： 循環(huán)在程序中占有相當(dāng)大的 比例，所以在指令上提供專(zhuān) 門(mén)的支持。 I = m1 I = I + m3 循環(huán)體 I ＞ m2 N Y 一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu) 57/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng) （縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距） 高級(jí)語(yǔ)言與一般的機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距非常大，為高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯帶來(lái)了一些問(wèn)題。 58/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言和編譯器的支持 ? 對(duì)高級(jí)語(yǔ)言中使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的語(yǔ)句，增強(qiáng)有關(guān)指令的功能，加快這些指令的執(zhí)行速度，或者增加專(zhuān)門(mén)的指令，可以達(dá)到減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間和減少目標(biāo)程序長(zhǎng)度的目的。