1、計算機系統結構 -第四章指令系統的設計原理和風格本章的主要內容n引言n指令集結構的分類n尋址方式n指令格式及其優化nCISC和RISC設計風格n對多媒體操作的支持n演變和發展趨勢4.1引言n指令系統的構成q特權指令q非特權指令n指令系統設計的原則q正交性q規整性q可擴充性q對稱性4.2指令集結構的分類(1)n分類的原則q操作數在CPU中的存儲位置q顯式指明的操作數個數qALU指令的操作數存放位置q操作類型q操作數的類型和長度 4.2指令集結構的分類(2)n按在CPU中的存儲位置分三類：堆棧型、累加器型和通用寄存器型堆棧型累加器型寄存器-寄存器寄存器-存儲器PUSH ALOAD ALOAD R1

2、,ALOAD R1,APUSH BADD BLOAD R2,BADD R3,R1,BADDSTORE CADD R3,R1,R2STORE R3,CPOP CSTORE R3,C4.2指令集結構的分類(3)n三類的優點和缺點q代碼密度q隨機訪問q指令長度qP534.3尋址方式基礎知識（1）n尋址方式的分類q按地址訪問q按內容訪問n操作數的存放位置q通用寄存器、存儲器、堆棧q專用寄存器，例如控制寄存器、設備寄存器等n兩類地址空間q邏輯地址空間q物理地址空間4.3尋址方式基礎知識（2）n編址的方式q統一編址n優點：減少了指令種類，統一了訪問的方法n缺點：減小了地址空間，控制功能轉移到地址上，導致一

3、些寄存器使用復雜化q獨立編址q隱含編址n內存中的地址訪問q訪問單位（機器字、字節）q數據的存放方式（大端和小端）特點：大端方式下，低字節放在字的高位，高字節放在字的低位。小端則相反。4.3尋址方式基礎知識（3）4.3尋址方式按地址（1）n尋址的方式q寄存器尋址n特點：操作數在寄存器中n例子：ADD R4，R3。功能：R4 R4+R3q立即尋址n特點：操作數為立即數或者操作碼決定一個立即數n例子： ADD R4，3。功能：R4 R4+34.3尋址方式按地址（2）q直接或者絕對尋址n特點：直接給出操作數的存儲器地址n例子：ADD R4，（2000）。功能：R4 R4+M2000q寄存器間接（或者延

4、時）尋址n特點：寄存器中存放的不是操作數，而是操作數的地址n例子： ADD R4，(R1)。功能：R4 R4+MR14.3尋址方式按地址（3）q存儲器間接（或者延時）尋址n特點：存儲器中存放的不是操作數，而是操作數的地址n例子： ADD R4，(R1)。功能：R4 R4+MMR1q自增/自減n特點：用寄存器作為操作數的地址指針，每次指令操作后，指針減小/增加一個常數n例子： ADD R4，(R1)+/-。功能：R4 R4+MR1, R1 R1+/-d4.3尋址方式按地址（4）q變址尋址n特點：變址寄存器的內容（通常是首地址）與指令地址碼部分給出的地址（通常是位移量）之和作為操作數的地址 n例子

5、： ADD R4，(R1R2)。功能：R4 R4+MR1+R2q位移和基址n特點：操作數的地址可變，加上一個位移量n例子： ADD R4，100(R2) 功能：R4 R4+M100+R24.3尋址方式按地址（5）q比例尋址n特點：在變址的基礎上，結合偏移量和比例因子的尋址方式n例子： ADD R4，100(R2)R3。 功能：R4 R4+M100+R2+R3*d4.3尋址方式按內容q訪問方式：并行q結構n存儲陣列n屏蔽寄存器n比較寄存器n指示寄存器n暫存寄存器4.4指令的格式（1）n指令的組成q操作碼q操作數n確定指令格式q選擇操作碼和操作數的長度n指令格式的優化4.4指令的格式（2）IBM

6、370系統是IBM公司于1970年推出的32位大型計算機，1983年IBM又推出了370的擴充結構IBM 370XA，后來又推出擴充結構 ESA370。IBM 370系列機的指令格式分為：RR型指令、RRE型指令、 RX型指令、RS型指令、SI型指令、S型指令、SS型（兩種）及SSE型指令等9類。其中RR型指令字長度為半個字長，SS型指令和SSE型指令的指令字長度為1個半字長，其余5種類型的指令均為單字長指令。除RRE型、S型、SSE型指令操作碼為16位外，其余幾種類型指令的操作碼均為8位。4.4指令的格式（3）操作碼的第0位和第1位組成4種不同編碼，代表不同類型指令： l00 表示RR型指令

7、l01 表示RX型指令l10 表示RRE型、RS型、S型及SI型指令l11 表示 SS型和SSE型指令。4.4指令的格式（4）R1OPR2RR型D2R1OPX2B2RX型D1OPIB1SI型D2R1OPR2B2RS型L1OPL2SS型D2B2D1B14.4編碼的性能指標（1）n信息量信息量 根據信息論的基本知識，在n種可能發生的事件集合中，報告第i種事件發生的消息中包含的信息量為： 其中Pi為第i種事件發生的先驗概率，a為編碼基值。信息量的單位是表示位數（所需的最少位數）。 這個定義式表明事件的發生概率越低，有關它的消息中的信息量越大。1log ()logiaaiiIPP 4.4編碼的性能指標

8、（2）n熵（熵（entropy） 平均信息量平均信息量一個消息源對n種事件發布的消息的信息量平均值，表示為： 11()log ( )nniiiaiiiHP IPP 4.4編碼的性能指標（3）n平均碼長平均碼長各事件編碼長度的數學期望，表示為： 1()niiiLP l4.4編碼的性能指標（4）n信息冗余量信息冗余量它表示消息編碼中“無用成分”所占的百分比，表示為： 100%LHRL 注意：從減少存儲與傳輸量的角度看，編碼方法的平均碼長越短越好。但是平均碼長不可能無限制縮短，它的下限就是熵（即R=0時）。如果短于熵就一定會丟失有用信息（即混淆不同指令），這是不允許的。4.4指令的優化（1）n目前常

9、用的編碼方法q定長編碼qHuffman編碼q擴展編碼4.4指令的優化（2）n定長編碼q特點q碼長2iLlLog n 式中 表示平均碼長， 表示第i種指令的碼長，n表示指令總數。ilL4.4指令的優化（3）例子4.4a 已知 n = 7，求定長編碼的最小平均碼長。解：273LLog4.4指令的優化（4）nHuffman編碼q概念 Huffman于1952年提出一種編碼方法，該方法完全依據字符出現概率來構造平均長 度最短的碼字，有時稱之為最佳編碼，一般稱作Huffman編碼。 q編碼過程n頻度合并n碼元分配注意：相同頻率的碼元與合并順序無關，兄弟之間可以任意分配0和1。4.4指令的優化（5）n擴展

10、編碼q碼長表示法 用編碼的碼長來表示，例如4-8-12法。 q碼點數表示法n15/15/15法，每一種碼長都有4位可編碼位（前頭可以有相同的擴展標識前綴），可產生16個碼點（即編碼組合），但是至多只能使用其中15個來表示事件，留下1個或多個碼點組合作為更長代碼的擴展標識前綴。已經用來表示事件的碼點組合不能再作為其它更長代碼的前導部分，否則接收者會混淆。這就是“非前綴原則”。4.4指令的優化（6）0000 ： 15種11101111 0000 ： ： 15種1111 11101111 1111 0000 ： ： ： 15種1111 1111 11104.4指令的優化（7）n8/64/512法，每

11、一種碼長按4位分段，每一段中至少要留下1位或多位作為擴展標識。各段剩下的可編碼位一起編碼，所產生的碼點用來對應被編碼事件。每一段中的標識位指出后面還有沒有后續段。4.4指令的優化（8）1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 0 00 1 1 10 0 0 10 0 0 08645124.4指令的優化（9）例4.4b 已知頻度序列為0.40，0.26，0.15，0.06，0.05，0.04，0.04，求Huf

12、fman編碼、等長擴展2/4碼、定長編碼、三者的平均碼長、信息冗余量以及熵。H= - (0.4log20.4+0.26log20.26+0.15log20.15 +0.06log20.06+0.05log20.05 +20.04log20.04) 2.284.4指令的優化（10）4.4指令的優化（11）指令I1I2I3I4I5I6I7頻度0.400.260.150.060.050.040.04Huffman碼01011011111111101110111100平均代碼長度2.32，信息冗余量R1.7%2/4碼0001101111111011011100平均代碼長度2.38，信息冗余量R4.2%

13、定長編碼000001010011100101110平均代碼長度3，信息冗余量R24%4.4指令的優化（12）q地址碼的優化n地址碼長度可變n合理安排不同長度指令的地址數和地址碼n合理利用空余空間4.5CISC和RISC指令風格背景nCISC風格的形成q技術的進步q認識的不足n指令系統復雜化的原因q龐大的指令集q軟件的固化q機器間的兼容性4.5CISC和RISC指令風格CISC（1）nCISC的主要特點q指令系統復雜指令數目多尋址方式多指令格式多q執行周期長q可訪問存儲器q微程序控制q專用寄存器q難以優化4.5CISC和RISC指令風格CISC（2）nCISC的主要問題q難以優化q占用芯片面積大

14、4.5CISC和RISC指令風格RISC（1）nRISC的發展史nRISC的技術特征q指令系統精簡指令條數少尋址方式少指令格式少長度一致q寄存器-寄存器工作方式q單周期、流水線q大量使用通用寄存器q硬連線控制q優化編譯4.5CISC和RISC指令風格RISC（2）nRISC技術中采用的特殊方法q大量使用寄存器，并采用窗口重疊寄存器技術4.5CISC和RISC指令風格RISC（3）q采用比較轉移技術q采用延遲轉移技術常規轉移常規轉移延遲轉移延遲轉移優化延遲轉移優化延遲轉移LOAD X,R1ADD 1,R1BRANCH LADD R1 ,R2SUB R3,R1L:STORE R1,YLOAD X,

15、R1ADD 1,R1BRANCH LNOPADD R1 ,R2SUB R3,R1L:STORE R1,YLOAD X,R1BRANCH LADD 1,R1ADD R2,R1SUB R3,R1L:STORE R1,Y4.5CISC和RISC指令風格RISC（4）q采用優化編譯技術LOAD R1,bLOAD R2,cNOP(stall)ADD R3,R1,R2STORE a ,R3LOAD R1,eLOAD R2,fNOP(stall)SUB R3,R1,R2STORE d ,R3LOAD R1,bLOAD R2,cLOAD R4,eADD R3,R1,R2LOAD R5,fSTORE a ,R3SUB R6,R4,R5STORE d ,R64.5CISC和RISC指令風格比較n設計思想的差異 TCPU=IN*CPI*TCnRISC的優缺點q提高速度q降低成本，提高可靠性和可測試性q適于VLSI技術實現q利于優化q代碼長度大，占用存儲空間大4.7對多媒體操作的支持（1）n多媒體