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造

操作数的类型和大小

MIPS指令系统的结构（笔记未全）

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cpu硬件执行

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示表示

Cpu性能公式：

执行一个程序所需的CPU时间

CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间

其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。

 每条指令执行的平均时钟周期数CPI

CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC

IC：所执行的指令条数

 程序执行的CPU时间可以写成

CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间

指令集结构的分类

从以下五个方面考虑分类：

在CPU中操作数的存储方法

指令中显示表示的操作数个数

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

Cpu中储存操作数的储存单元主要有：堆栈，累加器，通用寄存器



三种通用寄存器指令集结构和优缺点：

寄存器-寄存器型（RR型）

寄存器-存储器型（RM型）

存储器-存储器型（MM型）

寻址方式

实际地址/有效地址：

寻址实际上是从形式地址到实际地址的转换。形式地址由指令描

述，实际地址也被称为有效地址。有效地址指明的是存储器单元的地址或寄存器地址。

常用寻址方式：

使用频率：

指令系统的设计和优化

指令集能完成的操作：

条件分支指令表示：

指令系统的发展和改造

一个方向是强化指令功能，实现软件功能向硬件功能的转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统成为复杂指令集计算机（CISC）

尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到简化实现，提高性能的目的，精简指令集计算机（RISC），

Cisc指令集功能设计：

面向木目标程序增强指令功能

面向高级语言和编译程序改进指令系统

面向操作系统的优化实现改进指令系统

CISC结构存在着如下缺点：

在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，有20%的指令使用频率最大，占运行时间的80%。也就是说，有80%的指令在20%的运行时间内才会用到。

CISC结构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。CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。

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.

在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能

RISC指令设计原则：

指令条数少而简单。只选取使用频度很高的指令，在此基础上补充一些最有用的指令。

采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式；指令字长都为32位或64位。

指令的执行在单个机器周期内完成。

(采用流水线机制)

只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行。

（即采用load-store结构）

大多数指令都采用硬连逻辑来实现。

强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码。

充分利用流水技术来提高性能。

操作数的类型和大小

操作数类型是面向应用、面向软件系统所处理的各种数据结构。

操作数表示是硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些结构

操作数类型表示主要两种方法：

操作数的类型可以由操作码的编码指定，这也是最常见的一种方法

数据可以附上由硬件解释的标记，由这些标记指定操作数的类型，从而选择适当的运算。然而有标记数据的机器却非常少见

MIPS指令系统的结构（笔记未全）

特点：

Load/store型指令集结构

多元指令集结构

注重指令流水效率

简化指令译码

高效支持编译器

提供32个32位通用寄存器，R0的内容恒为0，32个32位浮点寄存器

支持数据类型：

整型数据：8位，16位，32位

浮点数据：32位单精度浮点，64位双精度浮点，IEEE 754标准

支持寻址方式：

寄存器寻址

立即数寻址

偏移寻址

寄存器间接寻址

指令格式：

I类型

R型

J型

MPIS典型的操作类型：

Load和Store操作

ALU操作

分支和跳转的操作

浮点的操作

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