首页 计算机专业课程笔记 计算机系统结构

# 第二章：指令系统设计

# 2.1 结构分类

堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构
Z = X + Y 的三种实现：
(1) 堆栈结构：
不能随机访问，难以高效实现

堆栈结构
push x
push y
add 
pop z

(2) 累加器结构：
累加器是一种寄存器，专门存放算术或逻辑运算的一个操作数和运算结果；存储器开销最大

累加器结构
load x 
add y
store z

(3) 通用寄存器结构：
形式一：寄存器 - 存储器结构，访问慢

寄存器-存储器结构
load R1, x
add R1, y
store R1, z

形式二：寄存器 - 寄存器结构，访问快，灵活

寄存器-寄存器结构
load R1, x
load R2, y
add R3, R1, R2
store R3, z

RR 结构也称为 load-store 结构，所有操作数都是来自通用寄存器组，是现代指令系统结构的主流

# 2.2 寻址方式

信息存储的整数边界概念：信息在主存中存放的起始地址必须是该信息宽度（字节数）的整数倍
存储效率 = 整个数据所需的存储量 / 整个数据所占的存储量
将寻址方式编码于操作码中，由操作码描述相应操作的寻址方式，适合处理机采用 load-store 结构
七种基本寻址方式：

  • 立即数寻址： 立即数 > 寄存器
  • 直接寻址： [偏移地址] > 寄存器
  • 寄存器寻址： 寄存器 > 寄存器
  • 寄存器间接寻址： [基址寄存器 / 变址寄存器] > 寄存器
  • 寄存器相对寻址： [基址寄存器 / 变址寄存器 + 偏移量值] > 寄存器
  • 基址变址寻址： [基址寄存器 + 变址寄存器] > 寄存器
  • 相对基址变址寻址： [基址寄存器 + 变址寄存器 + 偏移量值] > 寄存器
    立即数寻址方式和寄存器相对寻址方式的使用频度最高。
    其他：自增，自减，缩放（变址乘以系数）

# 2.3 指令系统设计与优化

对指令系统的基本要求：完整性、规整性（对称，均匀同等）、正交性（字段独立）、高效率、兼容性
指令格式的设计：确定指令字的编码方式，包括操作码字段和地址码字段的编码和表示方式
指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息

  1. 哈夫曼编码：构建哈夫曼树，左分支 1，右分支 0，获得的编码是变长度的。
    用二进制编码表示 n 个码点时，理论上的最短平均编码长度：

    H=−Σi=1npilog⁡2piH = -\Sigma_{i=1}^{n}p_i \log_2 p_i

    其中 pip_i 表示指令频度；有哈夫曼编码实际编码平均长度 LL，则信息冗余量为：

    L−HL\frac{L-H}{L}

  2. 扩展操作码：采用有限几种固定长度的码长，仍然采用高概率的用短码、低概率用长码的哈夫曼压缩思想，使操作码平均长度缩短
    2-4 的扩展操作码：以七种指令为例，用两位的 00、01、10 分别用于表示使用频度高的 I1、I2、I3，然后用 11 作为高位扩展出 4 个 4 位的二进制编码，用于表示剩下的 4 条指令
  3. 等长扩展码：

    选择两种中的哪一种取决于频度分布，尽量使频度大的指令扩展码更短。
  4. 定长操作码：RISC 结构等许多计算机，硬件实现方便

指令系统的 3 种编码格式：可变长度编码格式、固定长度编码格式、混合型编码格式

  1. 可变长度编码格式：当指令系统的寻址方式和操作种类很多时效果最好，但可能导致各条指令的字长和执行时间相差很大；
  2. 固定长度编码格式：寻址方式和操作类型非常少时很好，降低译码的复杂度；
  3. 混合型编码格式：提供若干种固定的指令字长，折中方案

字为 64 位的机器，大端：00 -> 08，高位存在更低地址并从 00 开始；小端：08 -> 00，高位存在更高地址并从 08 开始。

# 2.4 指令系统设计与优化

沿 CISC 方向：指令数量多、功能多样
面向目标程序优化：对于使用频度高的指令，用硬件加快其执行；对于使用频度高的指令串，用一条新的指令来替代。
面向高级语言优化：对于高级语言增加专门的指令，例如乘加指令
面向操作系统优化：提供特权指令
沿 RISC 方向：指令条数少、指令功能简单

# 2.5 操作数类型和大小

操作数表示方法一：操作数类型由指令中的操作码指定（最常见的一种方法）
操作数表示方法二：在数据内（不是指令之中）可以附上由硬件解释的标记，由这些标记符通过硬件指定操作数类型，从而选择适当的运算
一台 32 位的机器应该支持 8、16、32 位整型操作数以及 32 位和 64 位的 IEEE754 标准浮点操作数。

# 2.6 典型指令系统

代码密度：编译具有同样功能的一段代码，指令与数据占用的空间越大，则代码密度低，也就是效率低；反之，代码密度高，执行效率高。
不同的指令序列对处理器的电气特性影响也不尽相同，主要表现为处理器功耗、电压以及温度等影响

零地址空间：计算机体系结构中不同的地址空间组织方式
三个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备独立编址
两个零地址空间：主存储器与输入输出设备统一编址
一个零地址空间：最低端是通用寄存器，最高端是输入输出设备，中间为主存储器

程序定位：
直接定位：在程序装入主存之前就已经确定
静态定位：在程序装入主存的过程中随即进行地址变换，确定在主存的物理地址
动态定位：在程序执行过程中，当访问到相应的指令或数据时才进行地址变换，确定在主存的物理地址