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1、,2.3 指令集结构的功能设计,第二章 计算机指令集结构设计,1.指令集中操作的分类,2.一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的 操作？(指令集结构功能设计问题)两种截然不同的方向：复杂指令集计算机（CISC）强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移。精简指令集计算机（RISC）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。当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。,2.3 指令集结构的功能设计,2.3.1 CISC指令集结构的功能设计CISC结构追求的目标：强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。增强指令功能主要是从如下几个方面着手：1.面向目标程序增强指
2、令功能,提高运算型指令功能 提高传送指令功能 增加程序控制指令功能,2.3 指令集结构的功能设计,2.面向高级语言和编译程序改进指令系统(1)增加对高级语言和编译系统支持的指令功能 对源程序中各种高级语言语句进行使用频 度的统计与分析，对于使用频度高的语句，可以设置专门的指令或采取措施增加相应 令的功能，以提高其编译速度和执行速度。从面向编译程序，尤其是从优化代码生成 的角度进行考虑，增加指令集结构的规整 性来改进指令系统。,2.3 指令集结构的功能设计,规整性：没有或尽可能减少例外的情况和特殊的 应用，以及所有运算都能对称、均匀地 在存储器单元或寄存器单元之间进行。,(2)高级语言计算机指令
3、系统 面向高级语言(HL)的机器 缩小机器语言和高级语言的语义差距。间接执行型高级语言机器 高级语言和机器语言是一一对应的，用汇 编的方法(可以用软件实现，也可以用硬件实 现)把高级语言源程序翻译成机器语言程序。,2.3 指令集结构的功能设计,直接执行型高级语言机器 高级语言就作为机器语言，直接由硬件或 固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释以 执行它。3.面向操作系统的优化实现改进指令系统 操作系统的实现在很大程度上取决于体系结 构的支持。(1)主要表现在对以下方面的支持,2.3 指令集结构的功能设计,中断处理 进程管理 存储管理和保护 系统工作状态的建立与切换,(2)设置指令,支持系统工作
4、状态和访问方式转移的指令 支持进程转移的指令 支持进程同步和互斥的指令,2.3 指令集结构的功能设计,2.3.2 RISC指令集功能的设计1.CISC结构存在的缺点,(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频 率相差悬殊。(2)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。(3)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。,2.3 指令集结构的功能设计,(4)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。(5)在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功 能不
5、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。,2.RISC计算机(1)指令系统只包含那些使用频率很高的指令 和一些必要指令。Intel 80X86最常用的十条指令,2.3 指令集结构的功能设计,Intel 80X86最常用的十条指令,(2)目的 使得计算机体系结构更加简单、更加合理和 更加有效，克服CISC结构的缺点，使机器速度更 快，程序运行时间缩短，从而提高计算机系统的 性能。(3)设计原则,选取使用频率最高的指令，并补充一些最有 用的指令；每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机 器周期内完成；所有指令长度均相同；,2.3 指令集结构的功能设计,只有Load
6、和Store操作指令才访问存储器;其它指令操作均在寄存器之间进行；以简单有效的方式支持高级语言。,2.3.3 控制指令(1)跳转:当控制指令为无条件改变控制流时，称之为“跳转”。(2)分支：当控制指令是有条件改变控制流时，称之为“分支”。,2.3 指令集结构的功能设计,条件分支 跳转 过程调用 过程返回,(3)控制流程的各种改变情况,2.3 指令集结构的功能设计,1.控制指令的使用频率（一台Load/Store型指令集结构的机器：SPECint92、Specfp92基准程序）,改变控制流的大部分指令是条件分支指令。,2.常用的三种表示分支条件的技术及其优缺点,3.分支目标地址的表示 PC相对寻
7、址：在指令中提供一个和程序计数 器（PC）的值相加的偏移量。(1)有效地缩短指令中表示目标地址的字段的 长度；(2)使得代码在执行时与它被载入的位置无关。关键问题是：转移目标离当前控制指令的偏移量有多大？,2.3 指令集结构的功能设计,4.过程调用和返回的状态保存 两种方法来保存寄存器的内容：(1)“调用者保存”方法 在一个调用者调用别的过程时，必须保存调用 者所要保存的寄存器，以备调用结束返回后，能够 再次访问调用者。(2)“被调用者保存”方法 被调用的过程必须保存它要用的寄存器，保证 不会破坏过程调用者的程序执行环境，并在过程调 用结束返回时，恢复这些寄存器的内容。,2.3 指令集结构的功能设计,2.3 指令集结构的功能设计,
