计算机指令集结构设计.ppt

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1、第二章计算机指令集结构设计国防科技大学计算机学院指令集结构概述指令集：一些指令的集合；每条指令都是直接由CPU硬件执行。指令的表示方法：二进制格式；物理存储空间组织方式是位、字节、字和多字等；当前的指令字长有：16、32、64位；可变长格式和固定长度格式。操作码寻址方式操作数寻址方式操作数指令的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数个数为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式表示。指令集与计算机的性能指令集源程序指令译码指令编码C

2、PI和数据通路复杂度目标代码优化编译器内容提要指令集结构的分类寻址技术设计指令集结构的功能设计操作数的类型、表示和大小指令集格式的设计DLX指令集结构DLX指令集结构效能分析操作码寻址方式操作数寻址方式操作数指令集结构的分类一般来说，可以从如下五个因素考虑对计算机指令集结构进行分类，即：在CPU中操作数的存储方法；指令中显式表示的操作数个数；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。指令集结构的分类CPU中用来存储操作数的存储单元主要有：堆栈；累加器；一组寄存器。指令中的操作数可以被明确地显式给出，也可以按照某种约定

3、隐式地给出。指令集结构的分类C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法堆栈累加器寄存器(寄存器-存储器)寄存器(寄存器-寄存器)PUSHAPUSHBADDPOPCLOADAADDBStoreCLOADR1,AADDR1,BStoreC,R1LOADR1,ALOADR2,BADDR3,R1,R2StoreC,R3指令集结构的分类如果指令集结构根据CPU内部存储单元类型来进行分类，一般可以分为：堆栈型指令集结构；累加器型指令集结构；通用寄存器型指令集结构。另外也有一些混合型结构。如：Intel8086的指令集结构。FromIBM65

4、0:最早的指令集LOADxACM[x]STORExM[x](AC)ADDxAC(AC)＋M[x]JUMPxPCxJGExif(AC)≥0thenPCxLOADADRxACExtractaddrfield(M[x])STOREADRx……累加器型指令集结构计算一个数组加CiAi+Bi,1≤i≤nLOOPLOADNJGEDONEADDONESTORENF1LOADAF2ADDBF3STORECLOADADRF1ADDONESTOREADRF1LOADADRF2ADDONESTOREADRF2LOADADRF3ADDONESTO

5、READRF2JUMPLOOPDONEHLTABCN-nONE1code+indexRegister(IX)……LOADx,IXACM[x+(IX)]ADDx,IXAC(AC)＋M[x+(IX)]JZix,IXif(IX)=0thenPCxelseIX(IX)+1LOADix,IXIXM[x]LOADiN,IXLOOPJZiDONE,IXLOADLASTA,IXADDLASTB,IXSTORELASTC,IXJUMPLOOPDONEHLTA0....LASTAn-1ToIBM360:GPRIBM36016个32位寄存器，可做基

6、址或变址4个64位浮点寄存器PSW…………INCik,IXIX(IX)+kSTOREx,IXM[x](IX)LOADRi,Rj,(Rk)RiM[Rj+(Rk)]堆栈型指令集PUSHxstack[sp]M[x];sp=sp-1POPxM[x]stack[sp];sp=sp+1ADDstack[sp+1]stack[sp]+stack[sp+1];sp=sp+1……计算一个表达式(a+b*c)/(d*c-e)abc*+dc*e-/abcab*ca+b*ca+b*cdca+b*cd*ca+b*cd*cea+b*cd*c-e(a+b

7、*c)/(d*c-e)ExpressionReversePolish指令集结构的分类CPU提供的暂存器每条ALU指令显式表示的操作数个数运算结果的目的地访问显式操作数的过程堆栈0堆栈Push/Pop累加器1累加器Load/Store累加器一组寄存器2/3寄存器或存储器Load/Store寄存器/存储器三种类型指令集结构的优缺点指令集结构类型优点缺点堆栈型是一种表示计算的简单模型；指令短小不能随机访问堆栈，从而很难生成有效代码。同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现累加器型减小了机器的内部状态；指令短小由于累加器是唯一的暂存器，这种机

8、器的存储器通信开销最大寄存器型易于生成高效的目标代码所有操作数均需命名，且要显式表示，因而指令比较长指令集结构的分类早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令集结构，但是自1980年以来的大多数机器均采用