计算机指令结构设计
计算机硬件系统设计--(5)Instruction System-指令系统
机型 EDSAC IBM 701 CDC 6600 IBM S/360 DEC PDP-8 DEC PDP-11 Intel 8008 Motorola 6800 DEC VAX Intel 8086 Motorola 68000 Intel 80386 MIPS HP PA-RISC SUN SPARC IBM PowerPC DEC Alpha
加快经常性事件
Make the common case fast
好的设计需要适度的折衷
Good design demands good compromises
MIPS指令概述
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)
编译后的变量映射:
g
h
i
j
A[0]
$s1
$s2
$s3
$s4
$s5
循环结构
最后编译的MIPS代码:
Loop: sll $t1,$s3,2 addu $t1,$t1,$s5 lw $t1,0($t1) addu $s1,$s1,$t1 addu $s3,$s3,$s4 bne $s3,$s2,Loop
释义 固定值为0 硬件置位 汇编器保留，临时变量 函数调用返回值 4个函数调用参数 暂存寄存器，调用者按需保存 save寄存器，被调用者按需保存 暂存寄存器，同上 操作系统保留，中断异常处理 全局指针 (Global Pointer) 堆栈指针 (Stack Pointer) 帧指针 (Frame Pointer) 函数返回地址 (Return Address)
(in C) (in MIPS)
(in MIPS)
加立即数
常数相加指令
计算机组成原理指令集体系结构的设计与优化
计算机组成原理指令集体系结构的设计与优化计算机组成原理是计算机科学中的重要理论课程之一，它对于了解计算机的基本原理和内部结构起着重要的指导作用。
其中，指令集体系结构是计算机的核心组成部分之一，它决定了计算机能够执行的操作和运算方式。
本文将探讨指令集体系结构的设计与优化方法，以及其对计算机性能的影响。
一、指令集体系结构的定义与分类指令集体系结构是计算机硬件与软件之间的接口，它定义了计算机能够执行的指令和数据格式。
根据指令和数据的操作类型，指令集体系结构可以分为以下几类：1. 精简指令集（RISC）体系结构精简指令集体系结构采用简单的指令格式和操作方式，指令集的种类较少，每条指令的执行时间相对较短。
精简指令集体系结构的设计目标是提高指令执行速度和功耗效率，适用于大部分应用场景。
2. 复杂指令集（CISC）体系结构复杂指令集体系结构采用复杂的指令格式和操作方式，指令集的种类繁多，每条指令的执行时间相对较长。
复杂指令集体系结构的设计目标是提供更丰富的指令功能和编程灵活性，适用于特定应用场景。
3. 隐式数据流（VLIW）体系结构隐式数据流体系结构将多条指令捆绑在一起，共同操作一组数据，以提高指令级并行性。
隐式数据流体系结构的设计目标是充分利用硬件资源，提高指令的并行度和执行效率，适用于科学计算和嵌入式系统等领域。
二、指令集体系结构的设计原则指令集体系结构的设计涉及到多个方面的考虑，以下是一些常见的设计原则：1. 简洁性指令集应该尽量简洁，避免冗余和重复的操作。
简洁的指令集可以提高指令的执行效率和编程的方便性。
2. 完整性指令集应该具备足够的操作功能，能够满足各类应用的需求。
完整的指令集可以提高程序的编写效率和计算机的应用范围。
3. 兼容性指令集应该具备一定的兼容性，能够支持历史上的指令集和软件。
兼容的指令集可以方便用户迁移和使用已有的软件资源。
4. 可扩展性指令集应该具备一定的扩展性，能够支持后续的技术发展和硬件升级。
第4章_计算机指令构成和寻址方式
Pentium指令系统所支持的数据类型：
1. 整数：补码表示的二进制数，字节(8位)、字(16位)和双字(32 位)3种。
2. 序数：无符号二进制数，字节(8位)、字(16位)和双字(32位)3 种。
3. UBCD数：未压缩的(unpacked)BCD数，数字值0到9，每个数字 占一个字节。 4. BCD数：压缩的BCD数，一个字节可以表示2位数字，从00到99。 5. 指针：32位有效地址，指出段内的地址偏移量。
二地址指令
一地址指令 零地址指令
add r1,r2
add r1 add
r1←r1+r2
A←A+r1 T←T+(T-1)
寻址方式：
寻址方式指的是如何描述一个操作数或下一条指令的地址， 即确定操作数或下一条指令地址的方法。常用的寻址方式有 立即数寻址、寄存器寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址 等。
指令长度： 指令长度有固定长度和可变长度两种。RISC处理机一般采用 固定长度的指令格式，例如SUN SPARC的指令长度均为32位， 与数据字长相同。定长指令格式的好处在于指令译码和流水 线执行比较容易。Pentium处理机的指令长度是可变的，常用 指令用较少的二进制位表示，不常用的指令使用较多的位表 示，它的好处是可以缩短指令的平均长度。 指令系统设计中的问题： 指令种类和寻址方式越多越好，还是越少越好？指令种类越 多、寻址方式越复杂，说明处理机的功能越强。但同时，实 现一条复杂指令需要较多的逻辑门电路，执行一条复杂指令 所化费的时间也比较长，而且处理机的设计复杂度提高、设 计周期增长，并且复杂指令的使用频率较低。指令种类少、 寻址方式简单的好处是可以提高时钟频率，缩短指令周期， 从而很快完成一条指令的执行。但并不是越简单越好，指令 太简单，完成一次比较复杂的操作往往需要一长串的简单指 令序列，也会使执行时间变长，同时也使程序变长。
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
指令系统结构设计
指令系统结构设计一、引言现代科技的发展使得人与机器之间的交流变得越来越频繁，指令系统作为人与机器之间的桥梁，起着至关重要的作用。
本文将从指令系统的定义、结构和设计原则等方面进行论述，旨在探讨如何设计一个高效、可靠的指令系统。
二、指令系统的定义指令系统是计算机硬件和软件之间的接口，它规定了计算机处理器执行的指令的格式、操作码和操作数的含义以及执行指令的控制流程。
指令系统可以看作是计算机的"语言"，它通过指令的组合和执行来完成各种任务。
三、指令系统的结构指令系统的结构包括指令的分类、指令的格式和指令的执行方式。
1. 指令的分类指令可以分为数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。
数据传输指令用于在寄存器和内存之间传输数据；算术运算指令用于进行数值计算；逻辑运算指令用于进行逻辑运算(如与、或、非等)；控制转移指令用于改变程序的执行顺序。
2. 指令的格式指令的格式包括操作码、操作数和寻址方式等。
操作码用于指定指令的类型，操作数用于指定指令的操作对象，寻址方式用于指定操作数的地址计算方式。
3. 指令的执行方式指令的执行方式包括顺序执行、条件执行和并行执行等。
顺序执行是指按照指令的顺序依次执行；条件执行是指根据条件判断是否执行某条指令；并行执行是指同时执行多条指令。
四、指令系统的设计原则1. 简洁性指令系统应该尽量简洁，避免不必要的复杂性。
简洁的指令系统可以提高程序的执行效率，减少硬件成本。
2. 完备性指令系统应该具备足够的功能，能够支持各种常见的操作。
完备的指令系统可以满足用户的各种需求，提高计算机的通用性。
3. 易于理解和使用指令系统应该易于理解和使用，用户可以通过简单的指令就能完成复杂的操作。
易于理解和使用的指令系统可以降低用户的学习成本，提高用户的工作效率。
4. 高效性指令系统应该尽量提高程序的执行效率，减少指令的执行时间和资源的消耗。
高效的指令系统可以提高计算机的运行速度，提高计算机的工作效率。
计算机组成原理微程序设计乘法指令
郑州轻工业学院本科计算机组成原理课程设计总结报告设计题目：基本模型机的设计与实现学生姓名：系别：专业：班级：学号：指导教师：2011 年1月7 日郑州轻工业学院课程设计任务书题目基本模型机的设计与实现专业、班级学号姓名主要内容：乘法指令、停机指令的设计与实现。
基本说明：由于乘法指令较为复杂，本次模型机设计只完成乘法机器指令和停机指令的设计与实现。
主要参考资料等：《计算机组成原理》白中英主编科学出版社。
完成期限：一周指导教师签名：课程负责人签名：2011年 1月 7 日目录课程设计任务书 (2)一、微程序控制器的基本原理 (4)二、模型机结构 (5)三、微指令格式 (6)四、指令系统 (7)五、指令流程图 (8)六、程序清单 (9)七、微程序清单 (10)八、心得与体会 (11)附录：微程序详解 (11)1. 总述 (11)2. 乘法算法 (11)3. 实现难点 (12)一、微程序控制器的基本原理微程序控制器原理框图如图所示。
它主要有控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。
其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。
（1）控制存储器控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，机器运行时只读不写。
其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令接着以读出下一条微指令，又执行这条微指令……。
（2）微指令寄存器微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。
其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。
（3）地址转移逻辑在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。
如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。
当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。
在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器人内容，并按改好人内容去读下一条微指令。
《指令集结构》课件
指令集是计算机程序设计 的基础
指令集架构的发 展趋势：从复杂 到简单，从专用 到通用
未来方向：人工 智能、物联网、 云计算等新兴领 域
指令集的未来应 用：在更多领域 得到广泛应用， 如自动驾驶、智 能家居等
指令集的未来挑 战：如何应对日 益复杂的计算需 求，如何提高指 令集的性能和效 率
感谢您的观看
指令集的性能优化
指令级并行：通过同时执行多条指令来提高性能
线程级并行：通过同时执行多个线程来提高性能
数据级并行：通过同时处理多个数据元素来提高性能
指令流水线：通过将指令分解为多个阶段，每个阶段由不同的硬件单元执行，以提 高性能
指令流水线：将指令的执行过程分解为 多个阶段，每个阶段执行一个子任务
支持多种编程语 言：指令集支持 多种编程语言， 例如C、C++、 Java等，使得程 序员可以使用这 些语言编写程序。
CISC（复杂指令集计算机）：指令集复杂，执行效率高，但设计难度大 RISC（精简指令集计算机）：指令集简单，执行效率高，设计难度小 VLIW（超长指令字）：指令集长度可变，执行效率高，但设计难度大
C语言：广泛应用于操作系统、嵌入式系 统等领域
Java：广泛应用于Web开发、移动应用开 发等领域
Python：广泛应用于数据分析、人工智能 等领域
JavaScript：广泛应用于Web前端开发等领 域
C++：广泛应用于游戏开发、系统软件开 发等领域
Rust：新兴编程语言，广泛应用于系统编 程、网络编程等领域
指令集结构
汇报人：
目录
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指令集的概述
指令集的发展历程
指令集的应用场景
指令集的性能优化
LEC03_指令系统结构-计算机体系结构(第2版)-胡伟武-清华大学出版社
VAX
简单、定长指令，硬件 完成同一任务指令
简单、每条指令时钟数 数多，定长指令浪
少，主频高
费空间
指令执行周期长，
不用取数直接用，指令 访存操作数在指令
紧凑，空间效率高
中位数多，指令间
相关性较难判断
指令长度变化大，
完成同一任务指令最 执行指令周期变化
少，指令最紧凑
大，访存瓶颈，指
• 例子：不同指令系统完成C=A+B的指令序列， 假设A、B、C在内存中不同的单元
Stack
Push A Push B Add Pop C
Accumulator
Register (registermemory)
Load A
Load R1, A
Add B
Add R1, B
Store C
Store C, R1
• 应用要求指令系统保持兼容
• 更新计算机时，兼容老的应用
12
指令系统的分类
13
指令系统的分类
• 从功能上分类
• 算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令…
• 从指令使用数据的方式
• 堆栈型、累加器型、寄存器型...
• 从指令编码
• 定长、变长
14
指令系统的类型
• 堆栈型（Stack）：零地址指令
Register (load-store)
Load R1,A Load R2,B Add R3,R1,R2 Store C R3
16
17
寄存器指令再分类
• 分类标准
• 运算操作中操作数的个数 • 运算操作中存储器操作数的个数
访存个数/操 作数个数
机器例子
优点
计算机组成与设计ch05
计算机组成原理- CH05 指令系统体系结构5.1 概述计算机指令由操作码和操作数组成。
操作码指定要执行的操作类型，而操作数指出数据所处的寄存器和内存单元。
本章会对上一章的内容做进一步的展开，深入讨论计算机的指令系统体系结构。
将介绍各种不同的指令类型和操作数类型，以及指令如何访问内存中的数据。
5.2 指令格式每条计算机的指令都有一个操作码和0个或多个操作数.每条指令允许使用的操作数的个数不同,指令的类型和指令处理的操作数的类型也可能不同.更具体地说,各种指令集可能在特征上存在如下差别:操作数在CPU中的存储方式(数据可以存储在堆栈结构或寄存器中)指令作用的操作数的数目(最常用的操作数个数为0,1,2和3) 操作数的位置(如果简单地按照指令适用的操作数的组合,则各种指令可以分为寄存器-寄存器类型,寄存器-存储器类型或存储器-存储器类型)操作(不仅包括操作的类型,而且指出指令是否可以访问存储器) 操作数的类型和长度(操作数可能是地址,数字或字符)5.2.1 指令系统的设计指令系统体系结构(ISA)的效能可以用下面几个因素来衡量:(1) 程序执行指令时占用内存空间的大小;(2) 指令系统的复杂程度, 主要指指令执行所需要的译码数量和指令所执行的任务的复杂性;(3) 指令的长度;(4) 指令系统中指令的总数目.设计指令系统时需要考虑的问题包括:指令一般越短越好,因为较短的指令占用较少的内存空间,并且撮指令的速度也会更快.但是采用短指令会限制指令的数量.固定长度的指令的译码相对比较容易, 但却浪费空间.存储器的组成形式会影响指令的格式.固定长度的指令系统并不表示必须使用固定数量的操作数.存在多种不同类型的寻址方法.如果机器的字由多个字节组成,就需要考虑组成的字的字节是按照怎样的次序存储到按字节的机器存储器中设计的体系结构需要多少个寄存器且这些寄存器应该如何进行组织安排,操作数如何存放在CPU中5.2.2小端和大端的位序问题术语----- 位端(endian)指的是计算机体系结构中的"位序" (byte order).位端是指在计算机中存储一个多字节数据元素时, 各个字节的排列方式.将最低位的字节首先存放到低位地址,然后再将最高位的字节存放到高位地址,采用这种方式的机器称为小端(little endian)机器.先将最高位的字节存放到低位地址,然后再存放最低位的字节. 这种类型的机器称为大端(big endian)机器.大部分的UNIX计算机都是大端机器, 而大多数的PC机则是小端机器.大端位序的存储方式更自然些, 而且更便于阅读十六进制编写的程序段.大端位序的机器存储整数和字符串时使用相同的次序, 并且在某些字符串操作时速度会更快一些. 大部分位图映身格式的图像都是采用"最高位在字符串的左边"的变换方法, 也就是说对于像素大于一个字节的数据可以直接按照大端位序机器自身体系结构的安排顺序进行处理.大端位序的存储方式也有缺点,如果计算机要进行从32位整数地址到16位整数地址的转换操作, 则要求大端机器执行加法运算.高精度的算术运算在小端机器上会更快和更方便一些.计算机网络都是采用大端位序的体系结构.5.2.3 CPU的内部存储机制: 堆栈和寄存器CPU的数据存储方式是区分不同指令系统体系结构(ISA)的最基本的方法. 这里有三种不同的体系结构可供选择.1. 堆栈体系结构2. 累加器体系结构3. 通用寄存器(GPR)体系结构堆栈体系结构(stack architecture)的计算机使用一个堆栈来执行各种指令, 而且指令的操作数就隐含地存放在堆栈的顶部. 这种机器通常具有好的编码密度和一个简单的表达式估值模型,但由于不能对堆栈进行随机访问, 使得采用堆栈结构的机器很难产生高效率的编码.累加器体系结构(Accumulator architecture)的计算机, 比如MARIE, 是将其中一个操作数隐含在累加器中.降低了机器的内部复杂性,而且允许使用非常短的指令. 但由于累加器是临时存储, 所以对存储器的访问非常频繁.通用寄存器体系结构(general purpose register architecture)的计算机, 采用多个通用寄存器组, 这是当今计算机体系结构中最广泛接受的模型.寄存器组的访问速度比存储器快得多,通用寄存器体系结构可以根据指令的操作数所处的位置分成三种类型.存储器-存储器(memory-memory)体系结构可以有两个或三个操作数位于存储器内, 允许有一条执行某种操作而不需要有任何操作数的指令存放在某个寄存器中.寄存器-存储器(register-memory)体系结构则是采用混合方式,这其中至少有一个操作数在寄存器中和一个操作数在存储器中.装入-存储(load-store)式体系结构则需要在任何对数据的操作执行之前,先将数据装入寄存器中.5.2.4 操作数的数目和指令的长度在现在的计算机体系结构中, 指令构成的格式有如下的两种方式:固定长度(fixed length)使用这种格式的指令系统会浪费一些存储空间, 但是指令执行的速度快. 在采用指令层次(instruction-level) 的流水线结构时, 固定长度的指令系统的性能会更好些可变长度(variable length)这种指令的译码会变得比较复杂, 但是却可以节省存储空间.最常用的指令格式包括有零个, 一个, 两个, 或三个操作数. 使用一个堆栈结构也可以允许有不带操作数(零操作数)的指令.只有操作码 (0 地址)操作码 + 1个地址 (通常只有一个存储器地址)操作码 + 2个地址 (通常是两个寄存器地址, 或者是一个寄存器地址加上一个存储器地址)操作码 + 3个地址 (通常是三个寄存器地址, 或者是寄存器和存储器的某种组合形式)不带操作数的机器指令必须使用堆栈来执行在逻辑上需要一个或两个操作数的操作随着每条指令所允许的操作数的数目的减少, 完成相同程序功能所需的指令数目将会增加. 这就是一个典型的在空间和时间之间进行平衡折衷.通常,采用较短的指令需要编写较长的程序5.2.5 扩展操作码扩展操作码 (expanding opcode)代表了一种折衷的方案,就是既要求有尽可能多的操作码的数目, 又要求采用尽可能短的操作码, 所设计的指令长度也比较短.其设计的基本思想是: 选用短操作码, 而当有需要时可以有某种方法将操作码加长采用扩展操作码的方法使指令的译码变得更加复杂5.3 指令类型有些指令的操作对象不是数据, 指令归纳为以下几种类型:数据移动算术运算布尔逻辑运算位操作 (移位和循环换位)输入/输出 (I/O)控制转移专门用途数据移动指令是最常用的指令. 人们常常需要将数据从存储器移到寄存器, 从寄存器移到寄存器, 以及从寄存器移到存储器等.算术运算指令包括有整数和浮点运算的各种指令.布尔逻辑指令执行布尔逻辑运算, 与算术指令的运算方式非常类似位操作指令用来在某个特定的数据字中对一些单独数据位(或者是一些位的集合) 进行置位和复位操作.输入/输入(I/O) 指令随着计算机体系结构的不同而有很大区别. 处理输入输出的基本方式有: 程序控制的I/O, 中断驱动的I/O 和直接存储器访问(DMA) 的I/O 三种方式控制指令包括分支转移(branch), 跳过(skip) 和进程调用(procedure call)等.专用指令包括字符串处理的指令, 高级语言支持的指令, 保护和标志位控制指令, 以及高速缓存(cache) 指令等.5.4 寻址与寻址有关的两个最重要的问题是: 可以进行编址的数据类型和各种各样的寻址方式.5.4.1 数据类型如果指令要引用某个特定的数据类型,必须有相应的硬件对该种类型的数据提供支持指针是被认为与整数和浮点数字不同的数据类型.对于使用指针的指令, 操作数本质上就是一个地址, 并且必须被当成一个地址处理.5.4.2 寻址方式寻址方式是指定指令中操作数的位置的方法立即寻址 (immediate addressing)是指在指令中操作代码后面的数值会被立即引用, 12位的操作数域并不是指定一个地址, 而是表示指令所要求的实际操作数. 但由于加载的数值是固定的, 这种方式非常不灵活直接寻址 (direct addressing) 是指在指令中直接指定要引用的数值的存储器地址. 直接寻址方式比立即寻址方式要灵活得多.寄存器寻址 (register addressing) 方式中, 是采用一个寄存器, 而不是存储器来指定操作数. 寄存器寻址方式中被指定的寄存器中的内容将用作指令的操作数.间接寻址 (indirect addressing)是一种非常有效的寻址方式, 使用起来特别灵活,在间接寻址方式中, 地址域中的二进制数用来指定一个存储器地址, 该地址中的内容将被用作一个指针. 操作数的有效地址是通过访问这个存储器地址来获取的作为间接寻址的一种变化形式操作数域的二进制位也可以用来指定一个寄存器,而不是指定某个存储器地址.这种方式称为寄存器间接寻址 (register indirect addressing).在变址寻址方式(indexed addressing)中, 一个变址寄存器(要么显式地指定, 要么隐式指定)用来存储一个偏移量(offset, 或称为位移量(displacement)基址寻址(based addressing)方式与变址寻址方式非常类似.区别是,基址寻址方式使用的是基地址寄存器,而不是变址寄存器.堆栈寻址(stack addressing)方式,则操作数就假定放在堆栈中.5.5 指令的流水线有些CPU会将取指-译码-执行周期分成一些较小的步骤, 其中的某些较小的步骤可以并行执行. 这种时间上的交叠可以加快CPU的执行速度,这种方法称为流水线(pipeline).不同的步骤可以并行完成不同指令的各个部分.这其中的每一个步骤都称为流水线极(pipeline stage).一旦第一条指令的取指任务完成, 第一条指令就会被送去进行了译码操作.与些同时, 可以开始第二条指令的取指. 当第一条指令取操作数时, 第二条指令被送去译码, 同时开始取第三条指令.这些事可以并行发生并不是所有指令都必须经过管道中的每一级流水线. 有些情况会阻碍计算机实现每个时钟周期执行一条指令的目标资源冲突数据关联条件分支语句资源冲突 (resource conflict)是指令级并行执行过程中要考虑的主要问题.例如一个在读一个在写数据关联 (data dependency)是指当一条指令的执行尚未结束时, 后面某条指令却要求该指令的执行结果作为其操作数.分支转移语句来改变程序的执行流程,但是这样会对流水线造成重大问题. 许多计算机体系结构都设计分支预测(branch prediction) 机构, 利用合理的逻辑来对下一条指令做出最优的预测.超标量 (superscalar) 体系结构是利用多条平行的流水线同时执行多个操作超流水线 (superpipelining) 体系结构则是将超标量体系结构和流水线体系结构的概念组合起来, 把流水线的各个级分割成更小的步骤.IA-64 体系结构却是一个超长指令字 (VLIW) 体系结构, 即每条指令可以指定多个标量操作, 也就是编译器可以把多个操作放到一条指令中.。
计算机系统结构第2章
计算机系统结构第2章第⼆章指令系统第⼀节指令系统设计概述⼀、指令系统概述1、指令系统的设计、应⽤及实现(1)指令系统的设计*机器指令：计算机硬件实现的运算或操作的命令；第i 种格式：OP i A 1A 2编码⽰例：00110 000~111 000~111功能⽰例：A 1←(A 1)+(A 2)第j 种格式：OP j A 编码⽰例：10110 000~111功能⽰例：A←(A)+1*指令系统设计：定义所有机器指令的格式(含编码)。
*指令系统：所有机器指令的集合；第1种：第2种：…第n 种：OP 1A 1A 2OP 2A OP n A 1A 2…(2)指令系统的应⽤第i种指令应⽤⽰例a：00110 000 001 功能AH←(AH)+(AL)⽰例b：00110 011 000 功能BL←(BL)+(AH)应⽤程序⽰例：从主存地址为2000H开始的100个元素累加求和机器指令格式机器指令程序汇编程序1011wreg data 1011001001100100 CX←1001011100100000000 00100000LP：BX←2000H1011000000000000 AL←0 0000000w mod reg r/m 0000000100000111AL←AL+[BX] 01000reg 01000001 BX←BX+1 11100010 disp 11100010 11111000 LOOP LP*指令系统应⽤：按指令格式要求，根据应⽤需要、编写程序中的指令(即指令格式的实例)。
(3)指令系统的实现指令功能实现步骤—ID 对IR 的OP 译码，⽤输出信号控制某⼀部件⼯作；ID 对IR 的A 译码，⽤输出信号控制相关REG 的读/写；信号有效时间由时序部件及该指令功能实现步骤决定。
指令操作或运算—部件功能实现及数据传递等的组合。
*指令系统实现：按指令格式要求，⽤硬件实现指令功能。
*设计/应⽤实现三者关系：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。
c-sky指令集体系结构
c-sky指令集体系结构什么是csky指令集体系结构？C-SKY指令集体系结构（简称csky）是一种面向嵌入式系统设计的指令集体系结构框架。
它由中国科学院计算机技术研究所于2001年提出，以满足中国国内市场对高性价比、低功耗、可靠性强的嵌入式处理器的需求。
csky指令集体系结构兼容MIPS（微处理器无限公司，Microprocessor without Interlocked Piped Stages）指令集结构，并进行了一些优化和扩展。
1. csky指令集体系结构的设计理念：csky指令集体系结构的设计理念是在能够满足常见应用程序需求的基础上，尽可能简化指令集的结构，以提高处理器的执行效率和性能。
它追求高性价比和低功耗，适合用于大规模生产的嵌入式系统。
2. csky指令集体系结构的特点：- 中等长度的指令，32位的指令宽度，指令格式简单，指令集体积小。
这样能够减少实现复杂度和功耗。
- 16个通用寄存器，提供更高的寄存器容量，能够支持更大规模的程序。
- 支持单精度和双精度浮点运算，提高了计算能力。
- 适应不同层次的流水线设计，从单周期执行到多周期和超流水线执行，以满足不同应用场景的需求。
- 支持标准异常和跳转指令，提供了较好的异常处理能力。
3. csky指令集的分类和功能：csky指令集可以分为以下几类：- 数据传送类指令：包括load、store、move等指令，用于数据的读取和存储。
- 算术运算类指令：包括加减乘除、移位、逻辑运算等指令，用于完成常用算术和逻辑运算。
- 控制流类指令：包括无条件跳转、条件分支、函数调用等指令，用于控制程序的跳转和执行流程。
- 异常处理类指令：包括中断、异常、陷阱等指令，用于处理程序中的异常情况。
- 浮点运算类指令：包括浮点加减乘除、浮点比较等指令，用于高精度的浮点运算。
4. csky指令集的应用领域：csky指令集主要被应用在嵌入式系统领域，如工业控制、汽车电子、智能终端等。
计算机组成与结构2计算机指令
华东师范大学计算机科学技术系
7
二、对指令系统性能的要求
③ 规整性： ⅰ对称性：在指令系统中所有的寄存器和存 储器单元都可同等对待，所有的 指令都可使用各种寻址方式 ⅱ匀齐性：指一种操作性质的指令可以支持 各种数据类型 ⅲ格式一致性：指令长度和数据长度有一定 的关系，以方便处理和存取， 通常为字节长度的整数倍
11
华东师范大学计算机科学技术系
§2 计算机指令
2.1 概述 2.2 计算机硬件的操作
2012
华东师范大学计算机科学技术系
12
2.2 计算机硬件的操作
通过指令要求计算机硬件完成算术运算操作： 使用汇编语言的助记符： 算术运算指令 add a,b,c ;(b)+(c)→a 特点：只执行一种操作 有且只有三个操作数(最多) 操作数取自寄存器 计算四个变量的累加和需要三条指令： add a,b,c ;(b)+(c)→a 硬件设计原则1： add a,a,d ;(a)+(d)→a 操作数格式规整， add a,a,e ;(a)+(e)→a 设计简单 13 华东师范大学计算机科学技术系 2012
不同系列的计算机，采用的指令助记符不一样 MIPS是世界上十分流行的一款RISC处理器 2.2 计算机硬件的操作 (Microprocessor without interlocked piped stages） 一、高级语言程序与汇编语言程序的关系 无内部互锁流水级的微处理器 ·把C语言编译成汇编语言（MIPS） 80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的 例1） a=b+c 研究小组研制出来的。MIPS公司在此基础上开发了R系列 d=a-e 的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机 C编译器生成的汇编指令： 公司采用，构成各种工作站和计算机系统。如R3000、 add a,b,c R4000、R10000等
计算机系统结构课后答案chap2-answer
第二章计算机指令集结构设计2.1 名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
3.通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
4.CISC——复杂指令集计算机。
5.RISC——精简指令集计算机。
2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。
(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。
(5)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。
2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。
(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
计算机体系结构实验CPU设计与指令集实现
计算机体系结构实验CPU设计与指令集实现在计算机科学领域中，计算机体系结构是指计算机硬件和软件之间的接口规范，决定了计算机的性能和功能。
CPU作为计算机体系结构的核心组件之一，负责执行计算机指令和处理数据。
本文将介绍计算机体系结构实验中CPU的设计与指令集的实现。
一、CPU设计CPU设计是计算机体系结构实验的重要内容之一，它包括了处理器的内部结构、寄存器的设计和控制逻辑的实现等多个方面。
1. 内部结构CPU的内部结构一般包括运算器（ALU）、控制器、寄存器组和数据通路等部件。
其中，运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解码指令和控制CPU的操作，寄存器组用于存储临时数据和结果，数据通路则负责将数据在各个部件之间传递。
在CPU设计过程中，需要根据实验要求和设计目标，合理选择这些部件的结构和功能，并进行适当的组合和优化。
2. 寄存器设计寄存器是CPU中用于存储和操作数据的重要部件，常见的寄存器有通用寄存器、程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）等。
在CPU设计中，需要确定寄存器的位数和数量，并根据需求设计合适的读写接口。
同时，寄存器的位宽和数量也决定了CPU的数据处理能力和存储容量。
3. 控制逻辑实现控制逻辑是CPU中决定指令执行流程和控制信号传递的关键部分。
它通过解码指令，生成相应的控制信号，控制数据通路的运行和寄存器的读写。
在CPU设计中，需要实现与指令集对应的控制逻辑，并确保指令的执行顺序和操作正确无误。
二、指令集实现指令集是计算机体系结构中的重要组成部分，它决定了计算机的操作方式和可执行的指令。
在计算机体系结构实验中，实现一个类似于RISC指令集的简化指令集是常见的任务。
1. 指令格式指令格式是指令在计算机中的二进制表示形式，通常由操作码（Opcode）、寄存器编号和立即数等字段组成。
在指令集实现中，需要确定指令格式的结构和位数，并考虑操作码和操作数的编码方式，以便正确解码和执行指令。
2. 指令执行指令执行是指计算机按照指令进行相应的操作，包括算术运算、逻辑运算、存储器读写等。
指令系统及程序设计
指令系统及程序设计指令系统是计算机体系结构的一个重要组成部分，它规定了计算机如何执行指令，并提供给程序员一套可用的指令集。
指令集是一组计算机指令的汇总，包括控制指令、数据传输指令、运算指令等。
指令集可以通过汇编语言或高级语言来编写，然后通过编译或汇编器将其转化为机器码，供计算机硬件执行。
指令系统的设计需要考虑多个因素，如指令的种类和功能、操作数的个数和格式、指令的寻址方式、指令的执行时间和周期等。
不同体系结构的计算机可能具有不同的指令集架构，如精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)等。
RISC指令集通常具有固定长度的指令，执行速度较快，而CISC指令集允许一条指令执行多个操作，具有更丰富的功能。
在指令系统的设计中，程序设计也起到了至关重要的作用。
程序设计是指开发和编写执行特定任务的一系列计算机程序的过程。
程序设计包括算法设计、数据结构设计和程序语言选择等。
算法设计是解决问题的方法和步骤的描述，它可以通过伪代码、流程图或实际的编程语言来表达。
数据结构设计是选择合适的数据结构来组织和存储数据，以便于程序的执行和效率的提高。
程序语言选择是根据问题的需求和程序员的经验选择合适的编程语言来编写程序，如C、C++、Java、Python等。
程序设计需要考虑到程序的正确性、可读性、可维护性和性能等方面。
正确性是指程序能够按照预期的方式执行，并得出正确的结果。
可读性是指程序的代码结构清晰、命名规范、注释适当，便于其他人理解和修改。
可维护性是指程序易于修改和维护，具有良好的模块化和重用性。
性能是指程序的执行效率和资源利用率，可以通过算法优化和数据结构优化来提高。
在指令系统和程序设计中，还涉及到编译器、汇编器和解释器等工具。
编译器是将高级语言程序转化为机器码的工具，它包括词法分析、语法分析、语义分析、优化和代码生成等阶段。
汇编器是将汇编语言程序转化为机器码的工具，它将汇编语言中的指令与符号对应起来，并生成机器码。
《指令集结构》课件
指令的格式与编码方式
指令的格式决定了指令的组成方式和字段含义，而编码方式决定了指令如何在计算机中存储和传 输。
直接编码 间接编码 立即数编码
指令的操作码和操作数直接编码在指令中。 指令的操作数通过地址或寄存器间接引用。 指令中直接包含了操作数的值。
指令的执行过程和流水线结构
1
取指令（IF）
从内存中获取指令。
R IS C （精简指令集计算机）
精简的RISC架构采用更简单的指令集，执行效 率高，但需要更多指令来完成复杂的操作。
指令ห้องสมุดไป่ตู้的设计原则与考虑因素
1 简洁性
指令集应尽量简洁明了，易于编码和解码。
2 效率
指令的执行效率和资源利用率是设计指令集时需要考虑的重要因素。
3 兼容性
新的指令集应与现有的指令集兼容，以便支持现有软件。
指令集的分类与特点
C IS C （复杂指令集计算机）
特点：指令多样、复杂，执行一条指令可能需要多个时钟周期。
R IS C （精简指令集计算机）
特点：指令简单、精简，执行一条指令只需要一个时钟周期。
常见的指令集架构：C IS C 与R IS C
C IS C （复杂指令集计算机）
传统的CISC架构包含大量复杂的指令，可以完 成复杂的操作，但执行效率较低。
《指令集结构》PPT课件
本课件将介绍指令集结构的定义与概述，不同指令集的分类与特点，常见的 CISC和RISC架构，指令集的设计原则与考虑因素，指令的格式与编码方式，指 令的执行过程和流水线结构，以及指令集结构的发展趋势。
指令集结构的定义与概述
指令集结构是计算机体系结构的核心之一，它定义了计算机能够执行的指令 以及这些指令的格式和编码方式。
计算机组成与系统结构-指令系统
3.2寻址技术 2. 编址单位 (1)字编址
编址单位=访问单位
每个编址单位所包含的信息量（二进制位数）与读或写一 次寄存器、主存所获得的信息量是相同的。早期的大多数机器都 采用这种编址方式。
3.2寻址技术 (2)字节编址
字节编址是为了适应非数值计算的需要。字节编址方式使 编址单位与信息的基本单位（一个字节）相一致，这是它的最大 优点。然而，如果主存的访问单位也是一个字节的话，那么主存 的频带就太窄了。
移量D相加，形成操作数有效地址：
EA=(Rb)+D 基址寄存器的内容称为基址 值，指令的地址码字段是一个位 移量，位移量可正可负。
指令寄存器 OP Rb D20
主存储器
ALU
120 操作数
基1址00值 基址寄存器Rb
操作数S=((Rb)+D)
3.2寻址技术
基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的， 而且在一些计算机中，这两种寻址方式都是由同样的硬件来实现的。
OP
立即数
在取指令时，操作码和操作数被同时取出，不必再次访问 存储器，从而提高了指令的执行速度。但是，因为操作数是指 令的一部分，不能被修改，且立即数的大小将受到指令长度的 限制。
3.2寻址技术
2.寄存器寻址
指令中地址码部分给出某一通 用寄存器的编号，所指定的寄存器 中存放着操作数。
两个明显的优点：
操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的 难度，使控制器的设计复杂化。
3.1指令格式
最常用的非规整型编码方式是扩展操作码法： 让操作数地址个数多的指令（如三地址指令）的操作码字
段短些，操作数地址个数少的指令（如一或零地址指令）的操作 码字段长些。
注意
计算机系统设计中的体系结构与指令集
计算机系统设计中的体系结构与指令集计算机系统的设计是现代科技发展的核心之一，体系结构与指令集是其中两个重要的方面。
本文将介绍计算机系统设计中的体系结构与指令集的相关内容，并探讨它们对计算机性能和功能的影响。
一、体系结构的概念与分类体系结构是指计算机系统中的硬件和软件组成以及它们之间的协作方式。
从计算机系统的层次结构来看，体系结构位于硬件系统和操作系统之间，起到连接和协调的作用。
根据指令流的不同，体系结构可分为以下两类：单指令流体系结构（SISD）和多指令流体系结构（MISD）。
SISD体系结构是指在计算机系统中只有一条指令流，其运算速度由计算机系统的时钟周期决定；而MISD体系结构则是指在计算机系统中同时存在多条指令流。
二、常见的体系结构类型1. 单指令流单数据流（SISD）体系结构SISD体系结构最早应用于早期的计算机系统中，它的特点是只有一条指令流和一条数据流。
这种体系结构结构简单，易于理解和实现，但计算速度较慢，无法充分发挥计算机系统的潜力。
2. 单指令流多数据流（SIMD）体系结构SIMD体系结构中，计算机系统有一条指令流和多条数据流，即同一时间执行多个数据操作。
这种体系结构适用于大规模并行计算，例如图像处理和向量计算。
3. 多指令流单数据流（MISD）体系结构MISD体系结构是指计算机系统中同时存在多条指令流和一条数据流。
这种体系结构较少应用于实际计算机设计中，主要用于冗余设计和容错处理。
4. 多指令流多数据流（MIMD）体系结构MIMD体系结构是指计算机系统中同时存在多条指令流和多条数据流。
这种体系结构广泛应用于现代计算机系统中，例如分布式计算和多核处理器。
三、指令集的概念与类型指令集是计算机系统中用于操作和控制硬件的指令集合。
指令集的设计直接影响计算机的功能和性能。
根据指令的类型不同，指令集可分为以下几类：复杂指令集计算（CISC）、精简指令集计算（RISC）和虚拟机指令集计算（VMISC）。
计算机组成原理指令系统例题
计算机组成原理指令系统例题计算机组成原理是计算机科学中的重要基础课程，主要研究计算机硬件系统的组织、结构和功能，并重点探讨计算机的指令系统。
为了加深对指令系统的理解，我将给出一个例题并提供相关参考内容。
例题：考虑一个简化的指令系统，包含以下指令：add R1, R2, R3sub R1, R2, R3mul R1, R2, R3div R1, R2, R3jz R1, addressload R1, addressstore R1, address输出指令系统的格式、操作码格式、操作数寻址方式以及指令执行的功能。
参考内容：1. 指令系统的格式指令系统的格式是指指令在计算机中的存储和执行格式。
常见的指令格式有紧凑型和扩展型两种。
紧凑型指令格式将指令操作码和操作数紧凑地存储在一起，可节省存储空间并提高指令执行速度。
扩展型指令格式则将操作码和操作数分开存储，有利于指令的扩展和灵活性。
2. 操作码格式操作码格式表示指令的操作码部分。
在例题中，操作码的格式可以采用固定位数的二进制数。
例如，使用4位二进制数表示操作码，可以用0000表示add指令，0001表示sub指令，0010表示mul指令，0011表示div指令，0100表示jz指令，0101表示load指令，0110表示store指令。
3. 操作数寻址方式操作数寻址方式表示指令中操作数的寻址方式。
常见的操作数寻址方式包括紧随寻址、直接寻址、寄存器寻址、间接寻址、相对寻址和变址寻址等。
在例题中，可以采用寄存器寻址方式，即操作数采用寄存器R1、R2和R3来进行寻址。
4. 指令执行的功能指令执行的功能是指指令在计算机中实际执行的操作。
在例题中，按照指令的不同功能，可以得到以下执行结果：- add指令将R2和R3中的数据相加，并将结果存储到R1中。
- sub指令将R2和R3中的数据相减，并将结果存储到R1中。
- mul指令将R2和R3中的数据相乘，并将结果存储到R1中。
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û Í ½ ù Õ Ð Æ ¾ 10 10% Load Ö Á ¸ î È Ï ¸ î ±½ Ö Á
¡ ã ½ ù ¸ µ Æ ¾ 78% 58% 35% 10% ALUÖ Á ¸ î ù Ð ¸ î Ë Ó Ö Á
提高运算型指令功能
提高传送指令功能 增加程序控制指令功能
张晨曦 刘依
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2.3 指令集结构的功能设计
2.面向高级语言和编译程序改进指令系统 (1) 增加对高级语言和编译系统支持的指令功能
◆ 对源程序中各种高级语言语句进行使用频
度的统计与分析，对于使用频度高的语句，
可以设置专门的指令或采取措施增加相应
张晨曦 刘依
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ALU指令中，存储器操作数个数和操作数个数的 所有可能组合，以及相应的机器实例 ALU指令中存储器 操作数个数 0 ALU指令中操作数的 最大个数 机器实例
2
3 2
IBM RT-PC
SPARC，MIPS PDP-10，IBM 360， Motorola 68000
1
3
2 3 3
指令中的操作数类型不同。在一 可以直接对存储器操 条指令中同时对一个寄存器操作数 寄存器－存 作数进行访问，容易 和存储器操作数进行编码，将限制 对指令进行编码，且 指令所能够表示的寄存器个数。由 储器型 其目标代码较小。 （1,2） 于指令的操作数可以存储在不同类 型的存储器单元，所以每条指令的 执行时钟周期数也不尽相同。
比较指令和ALU指令使用立即值寻址方式十分频繁。
张晨曦 刘依
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2.2 寻址技术
6. 不同立即值大小的使用分布情况
gcc 60% 50% Tex spice
Ø Ö È °²±
40% 30% 20% 10% 0% 0 4 8 12 16 20 24 28 32 í ¾ ¢ ´ µ Ä » ý ±Ê Á ¼ Ö µ Î Ê
简化实现，提高性能的目的。 当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。
张晨曦 刘依
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2.3 指令集结构的功能设计
2.3.1 CISC指令集结构的功能设计
CISC结构追求的目标： 强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到 提高性能的目的。
增强指令功能主要是从如下几个方面着手：
1. 面向目标程序增强指令功能
张晨曦 刘依
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2.2 寻址技术
◆ 程序所使用的偏移量大小分布十分广泛； ◆ 较小的偏移量和较大的偏移量均占有相当大的比例； ◆ 将偏移量字段的大小设置为12～16位。这种长度可
以支持上述75％～99％基于偏移寻址方式的数据访 问中偏移量大小的表示。
张晨曦 刘依
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5. 在一种Load/Store型指令集结构上，一些指令使用
图形
象素操作、压缩/解压操作等。
2.3 指令集结构的功能设计
2. 一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的 操作？ (指令集结构功能设计问题) 两种截然不同的方向：
◆ 复杂指令集计算机（CISC）
强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移。
◆ 精简指令集计算机（RISC）
尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到
张晨曦 刘依
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寻址方式 寄存器寻址
指令实例 Add R4 , R3
含
义
Regs[R4]←Regs[R4]＋Regs[R3]
立即值寻址
偏移寻址 寄存器间接寻址 索引寻址 直接寻址或绝对寻 址 存储器间接寻址
Add R4 , #3
Add R4 , 100(R1) Add R4 , (R1) Add R3 , (R1 + R2) Add R1 , (1001) Add R1 , @(R3)
自减寻址
Add R1, -(R2) Add R1 , 100(R2)[R3]
缩放寻址
3. 寻址方式使用情况统计结果 （VAX指令集结构的机器：gcc、Spice和Tex 基准程序）
Tex
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Spice
gcc
55% 43% 39% 32% 40%
3. 两种主要的指令特性能够将通用寄存器指令集结构
（GPR）进一步细分 (1) ALU指令到底有两个或是三个操作数？
◆ 有三个操作数的指令：两个源操作数
一个结果操作数
张晨曦 刘依
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2.1 指令集结构的分类
◆ 有两个操作数的指令：一个操作数既作为源操
作数，也作为目的操作数。 (2) 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻 址，也即有多少个存储器操作数？ 一般来说，ALU指令有0～3个存储器操作数。
张晨曦 刘依
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第二章 计算机指令集结构设计
2.1 指令集结构的分类 2.2 寻址技术 2.3 指令集结构的功能设计 2.4 操作数的类型、表示和大小 2.5 指令集格式的设计
2.6 DLX指令集结构
张晨曦 刘依
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第二章 计算机指令集结构设计
2.1 指令集结构的分类
2.1.1 指令集结构分类
1. CPU中用来存储操作数的存储单元主要有： 堆栈
累加器 一组寄存器
2. 指令中的操作数可以显式给出，也可以隐式地给出。
3. CPU对操作数的不同存取方式
张晨曦 刘依
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CPU对操作数的不同存取方式
CPU提供的
暂存器
每条ALU指令显式表示的 运算结果的 访问显式操作数的
操作数个数 0 1 目的地 堆栈 累加器 过程 Push/Pop Load/Store 累加器
令的功能，以提高其编译速度和执行速度。
◆ 从面向编译程序，尤其是从优化代码生成
的角度进行考虑，增加指令集结构的规整 性来改进指令系统。
张晨曦 刘依
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Regs[R4]←Regs[R4]＋3
Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[100+Regs[R1]] Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R1]] Regs[R3]←Regs[R3]＋Mem[Regs[R1]+Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[1001] Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Mem[Regs[R3]]]
指令字长多种多样。每条指令的 存储器－存 是一种最紧密的编 储器型 码方式，无需“浪费”执行时钟周期数也大不一样，对存 储器的频繁访问将导致存储器访问 （3,3） 寄存器保存变量。 瓶颈问题。
第二章 计算机指令集结构设计
2.2
寻址技术
1. 在通用寄存器指令集结构中，一般是利用寻址方 式指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器 操作数，抑或是一个存储器操作数。 2. 当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式。
自增寻址
Add R1 , (R2)+
Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]] Regs[R2]←Regs[R2]＋d
Regs[R2]←Regs[R2]－d Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1] ＋ Mem[100 ＋ Regs[R2] ＋ Regs[R3]*d]
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2.2 寻址技术
SPECint 30% 25% 20% 15% ¼ « Æ °²½ Õ Æ Ò Ñ Ö ² ½ Ä Ø Ö È Ê µ °²± 10% 5% 0% 0 1 2 3 4 5 6 7
SPECfp92² ¿ ³ Æ á û â Á Í ¼ ½ ¹
8
9
10
11
12
13
14
15
x轴的标记是对偏移量大小进行log2（· ）运算 所得，也就是偏移量字段的位数。
◆ 减少存储器的通信量，加快程序的执行速度。
（因为寄存器比存储器快）
◆ 可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可
以有效改进程序的目标代码大小。
张晨曦 刘依
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2.1 指令集结构的分类
2. CPU需要设置多少个寄存器呢？ 主要由编译器使用寄存器的情况来决定。
为表达式求值保留一些寄存器 为传递参数保留一些寄存器 用剩下的寄存器来保存变量
且A和B的值在运算过程中一直被保持。
张晨曦 刘依
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C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法
寄存器
堆栈
累加器
(寄存器－存储器)
寄存器 （寄存器－寄存器）
PUSH A
LOAD A
LOAD R1,A
LOAD R1,A
PUSH B
ADD B
ADD R1,B
LOAD R2,B
ADD
Store C
累加器型
状态；指令短小。
机器的存储器通信开销最大。
所有操作数均需命名，且显式表示， 因而指令比较长。
是代码生成最一般 寄存器型 的模型。
张晨曦 刘依
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2.1 指令集结构的分类
2.1.2 通用寄存器型指令集结构的分类
1. 通用寄存器型指令集结构的主要优点
使编译器有效地使用寄存器。 (1) 在表达式求值方面，比其它类型指令集结构 具有更大的灵活性; (2) 寄存器可以用来存放变量。
堆栈 累加器
一组寄存器
2/3
寄存器或存 Load/Store寄存 储器 器或存储器
张晨曦 刘依
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2.1 指令集结构的分类
4. 根据CPU内部存储单元类型进行分类，可以分为
堆栈型指令集结构 累加器型指令集结构
通用寄存器型指令集结构