第二章 WinDLX模拟器

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1、第二章WinDLX模拟器2.1指令集结构发展概述IBM资深专家C.M.Amdahl1964年在介绍IBM360系统时首先提出计算机系统结构（computerarchitecture）的概念：计算机系统结构是程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。这些属性也就是机器语言程序设计者（或编译程序生成系统）为使其设计（或生成）的程序能在机器上正确运行所必需遵循的计算机的属性，即计算机系统软硬件的界面，包括：数据表示，指令集结构，中断系统，存储系统，I/O结构等。其中指令集结构又包括寻址规则、寄存器定义和指令系统等，它是CPU的外在表现形式，是计算机系统结构设

2、计中的核心问题，是软硬件功能分配最主要的界面，是计算机系统结构设计者、系统软件设计者和系统硬件设计者所共同关注的问题。BillJoy（SunMicrosystems公司首席科学家兼首席执行官）曾开玩笑地说，高速缓存（Cache）是计算机科学中唯一重要的思想。事实上，高速缓存确实极大地影响了计算机系统结构的发展。另外，多处理器互连架构也是系统结构研究的一个主要问题。但是，计算机系统结构研究得最多的还是指令集结构。有一种观点认为，今天，CPU周期已经非常富裕，受限的是数据的存取速度。我们拭目以待。在ENIAC时代，基于累加器的指令集结构是在硬件资源十分有限的条件下必

3、然的选择。1963年，Barton和Burroughs的设计师们把B5000设计成了堆栈系统结构，堆栈最上面的两个元素被保存在CPU中作为运算器的输入，而其他部分则保存在内存中。堆栈技术有很好的代码密度，但却只提供了两个高速的存储位置。原始IBM360的论文作者Amdahl，Blaauw，Brooks和原始PDP-11的论文作者Bell等都反对堆栈的组织结构。1964年的IBM360首次提出“有相同系统结构的计算机系列应该能够运行相同软件”的思想，是第一个基于寄存器的指令集结构，拥有寄存器-内存指令和有限的内存-内存指令，360被称为具有360度全方位的通用性，

4、360也因耗资50亿美元，远远超过当时美国政府制造原子弹的“曼哈顿计划”的20亿美元而被称为“世纪豪赌”。而后者（PDP-11）则是CISC的典型代表。20世纪70年代初，人们开始意识到软件价格的增长比硬件价格的增长要快，编译器和操作系统越来越大，许多研究人员希望通过引入强有力的、基于软件的系统结构来缓解软件危机。DEC的VAX系列因此闪亮登场，VAX的设计目标是简化高级语言的编译，其指令集结构是CISC的典范，有300多条指令，十几种寻址方式，指令字长度从1字节到53字节，具有高度的正交性，甚至允许把高级语言的一条语句直接映射为一条机器指令。1991年Bhan

5、darkar和Clark给出了VAX与RISC计算机比较后有关缺点的大量分析，在技术上宣布了VAX的死刑。2020世纪80年代初，计算机系统结构开始从为语言提供高级硬件支持的方向转移出来，为了提高CPU执行指令的速度，RISC应运而生。1975年，IBM801开始研制，项目负责人JohnCocke因此获得Eckert-Mauchly奖和Turing奖。1980年，Patterson和他在Berkeley的同事们研发了RISC-1和RISC-2。1981年，Hennessy和他在Stanford的同事们发表了介绍MIPS（Microprocessorwithout

6、InterlockedPipelineSystem）的文章。这些研究成果被工业界广泛采用，MIPS系列是RISC的典型代表。值得一提的是Intel公司的80x86系列是在CISC/RISC的激烈竞争中坚持下来的唯一CISC。一方面保持二进制兼容性在商业上极具重要性，另一方面，微电子技术的迅速发展使得Intel可以在外部支持80x86指令集，而在内部使用RISC指令集。DSP（数字信号处理）处理器的指令集结构和一般处理器的区别有以下几个方面：由于迭代算法通常涉及到向量的点积，因而乘法和乘加指令相对比较重要；对数值错误很敏感；苛刻的实时要求；流式数据；较高的数据带宽

7、；可预测的简单内存访问模式；可预测的程序流程。早期DSP系统结构的效率很高，但为了高性能和高效率生产的高度专用的指令集使得为这种指令集的处理器编写编译器有很大的困难。到1995年左右，设计师开始使用高性能通用处理器和科学应用处理器的技术来设计DSP新的指令集结构，使其有更高的并行度，更快的时钟频率，更简单的类RISC指令集，如今DSP的系统结构很多，并且技术创新的速度也很快。20世纪90年代中有越来越多的设计人员转向了SOC（system-on-chip），虽然这种芯片不是处理器，但处理器在很大程序上决定了芯片的性能。2.2WinDLX简介美国斯坦福大学计算机系

8、Hennessy教授和加