12指令集体系结构

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1、微机原理(计算机原理与应用系统)第12讲指令集体系结构1第12讲指令集体系结构概述ISA的类型基本指令集寻址方式指令格式设计CISC与RISC马洪兵，2006年秋2概述指令(instruction)——规定计算机执行特定操作的命令指令集/指令系统(instructionset)——全部指令的集合指令集体系结构(InstructionSetArchitecture，ISA)——是计算机硬件与底层软件之间的接口，它是程序员为使一个二进制机器语言程序正确运行所需要了解的属性马洪兵，2006年秋3概述指令集体系结构寄存器

2、组织指令集存储器的组织和寻址方式中断机制I/O系统结构机器工作状态的定义及切换数据类型及表示保护机制计算机软件ISA计算机硬件马洪兵，2006年秋4概述本质上讲，ISA是机器语言程序员看到的计算机的属性。但是，由于人们广泛地使用高级语言编写程序，ISA也可以看成是编译器或解释器的设计人员看到的计算机的属性C程序C编译器机器语言程序ISA计算机硬件马洪兵，2006年秋5概述按照以上定义，所有机器语言程序员或编译器设计人员不可见的属性都不属于指令集体系结构然而，随着计算机技术的发展，出现了一系列对计算机系统性能有重要

3、影响的实现技术，如Cache技术、流水线技术、超标量技术等。这些技术对程序员是不可见的，但是为了充分发挥系统效能，编译器设计人员必须对这些技术深入了解马洪兵，2006年秋6概述由于ISA是硬件和软件之间的接口，所以在设计ISA时必须兼顾硬件、软件以及用户等多方面的要求对于硬件设计人员而言，ISA是设计计算机的起始点和基本依据，所以ISA应该设计成易于高效率地实现对于编译器设计人员而言，ISA本质上是编译器的输出目标，所以ISA应该设计成易于为它生成代码对于用户而言，兼容性是一个现实的要求马洪兵，2006年秋7概述

4、兼容性：向下兼容——在某个高档次的机种上能够不加修改地运行为某个低档次机种编制的软件向前兼容——在某个时期生产的机种上能够不加修改地运行为它之前的某个机种编制的软件兼容性针对的是指令集体系结构，非硬件实现马洪兵，2006年秋8概述指令集设计需要注意的问题完备性——常用指令齐全高效性——占用存储空间少、运行速度快规整性——指令和数据编码规则统一可扩充性——保留一定的指令字编码空间。一般而言，以后生产的机器，总会增加一些指令兼容性马洪兵，2006年秋9概述指令格式设计是ISA设计的重要问题指令的一般格式操作码操作数地

5、址码操作码——用于指明本指令的操作功能，计算机需要为每条指令分配一个确定的操作码操作数地址码——用于给出被操作的数据的地址，包括参与运算的操作数的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等马洪兵，2006年秋10ISA的类型根据在CPU中以何种方式存放操作数，可以将指令集体系结构分成4种类型：堆栈型累加器型寄存器-存储器型寄存器-寄存器型例：C=A+B在4种指令集体系结构类型上的实现马洪兵，2006年秋11内存...ISA的类型堆栈型...ALU指令所有的操作数都是mem[B]SP隐含的

6、mem[A]...PUSHAPUSHBADDCPUPOPC优点：求值模型简单(符合逆波兰模型)，指令字较短，代码密度高ALU缺点：代码效率低，堆栈成为性能瓶颈马洪兵，2006年秋12CPUISA的类型累加器mem[A]累加器型累加器既是ALU指令隐含的输入操作数，也是隐含的运算结ALU果的目标操作数LOADAADDB内存...STOREC优点：指令字较短，代码密度较高B缺点：累加器是唯一的操作数寄存器，导致对存储器的频繁访问，影响性能...马洪兵，2006年秋13CPUISA的类型Rn-1...mem[A]R寄存

7、器-存储器型0ALU指令的一个操作数在寄存器中，另一个在存储器中，结ALU果存放在寄存器或存储器中LOADR0,AADDR0,B内存STOREC,R0...优点：存储器中的数据不需要专门B的载入/存储指令即可直接访问，代码密度较高缺点：操作数的不同位置使得ALU...指令执行所需的时钟周期不同马洪兵，2006年秋14CPURISA的类型n-1...R2mem[B]R1寄存器-寄存器型mem[A]R0ALU指令的所有操作数都在寄存器中ALULOADR0,ALOADR1,BADDR2,R0,R1内存...STORER

8、2,C优点：简单、定长的指令编码，ALU指令执行的时钟周期相近缺点：指令密度低...马洪兵，2006年秋15ISA的类型早期计算机多采用堆栈类型和累加器类型，现基本不再采用CISC计算机通常既包含寄存器-寄存器型指令，也包含寄存器-存储器型指令RISC计算机只采用寄存器-寄存器型指令寄存器-寄存器型也称为载入-存储型(load-store)当所需的操作数不在寄存器中而在存