体系结构第2章 第1讲.pptVIP

* 性能因素；实现代价因素，每种都有不同的侧重面。 * 不规整？ * 是灵活性和实现代价的折衷，这种代价随着工艺的发展已经不成为问题，所以通用寄存器型的结构广为应用。 计算机体系结构 计算机体系结构 第二章 指令系统(第一讲) 本章内容提要 指令集结构概述 指令集结构的分类 寻址方式 指令系统的设计和优化 指令系统的发展和改进 操作数的类型和大小 MIPS指令系统结构 第一节：指令集结构和设计技术 指令集结构概述 指令集结构的分类 1.指令集结构概述 指令集： 一些指令的集合； 每条指令都是直接由CPU硬件执行。 指令的表示方法： 二进制格式； 物理存储空间组织方式是位、字节、字和多字等； 当前的指令字长有：16、32、64位； 可变长格式和固定长度格式。 操作码 寻址方式 操作数 寻址方式 操作数 指令的特点 指令的操作十分简单，其操作由操作码编码表示。 每个操作需要的操作数个数为0-3个不等。 操作数是一些存储单元的地址； 典型的存储单元通常有：主存、寄存器、堆栈和累加器。 操作数地址隐含表示或显式表示。 指令集与计算机的性能 指令集 源程序 指令译码 指令编码 CPI和数据通路复杂度 目标代码 优化编译器 2. 指令集结构的分类 一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算机指令集结构进行分类，即： 在CPU中操作数的存储方法； 指令中显式表示的操作数个数； 操作数的寻址方式； 指令集所提供的操作类型； 操作数的类型和大小。 指令集结构的分类 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。 指令中的操作数可以被明确地显式给出，也可以按照某种约定隐式地给出。 指令集结构的分类 Z=X+Y表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法 堆栈 累加器 寄存器 (寄存器-存储器) 寄存器 (寄存器-寄存器) PUSH X PUSH Y ADD POP Z LOAD X ADD Y Store Z LOAD R1,X ADD R1,Y Store R1,Z LOAD R1,X LOAD R2,Y ADD R3,R1,R2 Store R3,Z 指令集结构的分类 早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令集结构，但是自1980年以来的大多数机器均采用的是寄存器型指令集结构。主要有两个方面的原因: 集成电路技术飞速发展 寄存器和CPU内部其它存储单元一样，要比存储器快 对编译器而言，可以更容易有效地分配和使用寄存器 通用寄存器型指令集结构的分类 通用寄存器型指令集结构的主要优点: 在表达式求值方面，比其它类型指令集结构都具有更大的灵活性； 寄存器可以用来存放变量； 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。 通用寄存器型指令集结构的分类 两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指令集结构（GPR）进一步细分。 ALU指令到底有两个或是三个操作数？ 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？ 通用寄存器型指令集结构的分类 ALU指令中存储器操作数的个数 ALU指令中 操作数的最多个数 结构类型 机器实例 0 3 RR MIPS, SPARC, Alpha, PowerPC, ARM 1 2 RM IBM 360/370, Intel 80x86, Motorola 6800 3 RM IBM 360/370 2 2 MM VAX 3 3 MM VAX 通用寄存器型指令集结构的分类 可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为三种类型： 寄存器－寄存器型 (R－R：register-register) 寄存器－存储器型 (R－M：register-memory) 存储器－存储器型 (M－M：memory-memory) 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 寄存器－寄存器型（0,3） 优点： 指令字长固定，指令结构简洁，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。 缺点： 与指令中含存储器操作数的指令系统结构相比，指令条数多，目标代码不够紧凑，因而程序占用的空间比较大。 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 寄存器－存储器型（1,2） 优点： 可以在ALU指令中直接对存储器操作数进行引用，而不必先用load指令进行加载，容易对指令进行编码，目标代码比较紧凑。 缺点： 由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个数。指令的执行时钟周期因操作数的来源（寄存器或存储器）的不同而差别比较大。 三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 存储器－存储器型（