计算机指令集结构设计.ppt

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1、第二章第二章 计算机指令集结构设计计算机指令集结构设计国防科技大学计算机学院计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构概述指令集结构概述o指令集：指令集：n一些指令的集合；一些指令的集合；n每条指令都是每条指令都是直接直接由由CPU硬件执行。硬件执行。o指令的表示方法：指令的表示方法：n二进制格式；二进制格式；n物理存储空间组织方式是位、字节、字和多字等；物理存储空间组织方式是位、字节、字和多字等；n当前的指令字长有：当前的指令字长有：16、32、64位；位；n可变长格式和固定长度格式。可变长格式和固定长度格式。操作码操作码操作码操作码寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操

2、作数操作数操作数操作数寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令的特点指令的特点o指令的操作十分简单，其操作由操作码编码表示。指令的操作十分简单，其操作由操作码编码表示。o每个操作需要的操作数个数为每个操作需要的操作数个数为0-3个不等。个不等。n操作数是一些存储单元的地址；操作数是一些存储单元的地址；n典型的存储单元通常有：主存、寄存器、堆栈典型的存储单元通常有：主存、寄存器、堆栈和累加器。和累加器。o操作数地址隐含表示或显式表示。操作数地址隐含表示或显式表示。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指

3、令集与计算机的性能指令集与计算机的性能计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构内容提要内容提要o指令集结构的分类指令集结构的分类o寻址技术寻址技术设计设计o指令集结构的功能设计指令集结构的功能设计o操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o指令集格式的设计指令集格式的设计oDLX指令集结构指令集结构oDLX指令集结构效能分析指令集结构效能分析 操作码操作码操作码操作码寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类o一般

4、来说，可以从如下五个因素考虑对计算一般来说，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：机指令集结构进行分类，即：n在在CPU中操作数的存储方法；中操作数的存储方法；n指令中显式表示的操作数个数；指令中显式表示的操作数个数；n操作数的寻址方式；操作数的寻址方式；n指令集所提供的操作类型；指令集所提供的操作类型；n操作数的类型和大小。操作数的类型和大小。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类oCPU中用来存储操作数的存储单元主要有：中用来存储操作数的存储单元主要有：n堆栈；堆栈；n累加器；累加器；n一组寄存器。一组寄存器。o指令中的操作

5、数可以被明确地显式给出，也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隐式地给出。可以按照某种约定隐式地给出。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类oC=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法方法堆堆栈栈累加器累加器寄存器寄存器(寄存器寄存器-存存储储器器)寄存器寄存器(寄存器寄存器-寄存器寄存器)PUSH APUSH BADDPOP CLOAD AADD BStore CLOAD R1,AADD R1,BStore C,R1LOAD R1,ALOAD R2,BADD R3,R1,R2Sto

6、re C,R3计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类o如果指令集结构根据如果指令集结构根据CPU内部存储单元类型内部存储单元类型来进行分类，一般可以分为：来进行分类，一般可以分为：n堆栈型指令集结构；堆栈型指令集结构；n累加器型指令集结构；累加器型指令集结构；n通用寄存器型指令集结构。通用寄存器型指令集结构。o另外也有一些混合型结构。如：另外也有一些混合型结构。如：Intel 8086的指令集结构。的指令集结构。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构From IBM 650:最早的指令集最早的指令集LOAD x ACMxSTO

7、RE x Mx(AC)ADD x AC(AC)MxJUMP x PC xJGE x if(AC)0 then PC xLOAD ADR x ACExtract addr field(Mx)STORE ADR xo累加器型指令集结构累加器型指令集结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算一个数组加计算一个数组加Ci Ai+Bi,1inLOOP LOAD N JGE DONE ADD ONE STORE NF1 LOAD AF2 ADD BF3 STORE C LOAD ADR F1 ADD ONE STORE ADR F1 LOAD ADR F2 ADD ONE STORE

8、 ADR F2 LOAD ADR F3 ADD ONE STORE ADR F2 JUMP LOOPDONE HLTABCN-nONE1code计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构+index Register(IX)LOAD x,IX AC Mx+(IX)ADD x,IX AC(AC)Mx+(IX)JZi x,IX if(IX)=0 then PC x else IX (IX)+1LOADi x,IX IX Mx LOADi N,IXLOOP JZi DONE,IX LOAD LASTA,IX ADD LASTB,IX STORE LASTC,IX JUMP LOOPDO

9、NE HLTA0.LASTAn-1计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构To IBM 360:GPRoIBM 360n16个个32位寄存器，可做基址或变址位寄存器，可做基址或变址n4个个64位浮点寄存器位浮点寄存器nPSWnINCi k,IX IX(IX)+kSTORE x,IX Mx(IX)LOAD Ri,Rj,(Rk)Ri MRj+(Rk)计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构堆栈型指令集堆栈型指令集PUSH x stackspMx;sp=sp-1POP x Mxstacksp;sp=sp+1 ADD stacksp+1stacksp+stacksp+1

10、;sp=sp+1 计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算一个表达式计算一个表达式(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*c)/(d*c-e)ExpressionReverse Polish计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类CPU提供的提供的暂暂存器存器每条每条ALU指令指令显显式表示的式表示的操作数个数操作数个数运算运算结结果果的目的地的目的地访问显访问显式式操作数的操作数的过过程程堆堆栈栈0堆堆栈栈Pus

11、h/Pop累加器累加器1累加器累加器Load/Store累加器累加器一一组组寄存器寄存器2/3寄存器或寄存器或存存储储器器Load/Store寄存器寄存器/存存储储器器计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构三种类型指令集结构的优缺点三种类型指令集结构的优缺点指令指令集集结结构构类类型型优优点点缺点缺点堆堆栈栈型型是一种表是一种表示示计计算的算的简单简单模型；模型；指令短小指令短小不能随机不能随机访问访问堆堆栈栈，从而很从而很难难生成有效代生成有效代码码。同。同时时，由于堆，由于堆栈栈是瓶是瓶颈颈，所以很，所以很难难被被高效地高效地实现实现累加累加器型器型减小了机减小了机器的内

12、部器的内部状状态态；指；指令短小令短小由于累加器是唯一的由于累加器是唯一的暂暂存器，存器，这这种机器的种机器的存存储储器通信开器通信开销销最大最大寄存寄存器型器型易于生成易于生成高效的目高效的目标标代代码码所有操作数均需命名，所有操作数均需命名，且要且要显显式表示，因而式表示，因而指令比指令比较长较长计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的分类指令集结构的分类o早期的大多数机器都是采用堆栈型或累加器型指令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，但是自集结构，但是自1980年以来的大多数机器均采用的年以来的大多数机器均采用的是寄存器型指令集结构。主要有两个

13、方面的原因是寄存器型指令集结构。主要有两个方面的原因:n集成电路技术飞速发展集成电路技术飞速发展n寄存器和寄存器和CPU内部其它存储单元一样，要比存储器快内部其它存储单元一样，要比存储器快n对编译器而言，可以更容易有效地分配和使用寄存器对编译器而言，可以更容易有效地分配和使用寄存器计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构通用寄存器型指令集结构的分类通用寄存器型指令集结构的分类o通用寄存器型指令集结构的主要优点通用寄存器型指令集结构的主要优点:n在表达式求值方面，比其它类型指令集结构都具有更大在表达式求值方面，比其它类型指令集结构都具有更大的灵活性；的灵活性；n寄存器可以用来存放

14、变量；寄存器可以用来存放变量；o减少存储器的通信量，加快程序的执行速度（因为寄存减少存储器的通信量，加快程序的执行速度（因为寄存器比存储器快）器比存储器快）o可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可以有效改进可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可以有效改进程序的目标代码大小。程序的目标代码大小。n编译器有效地使用寄存器；编译器有效地使用寄存器；计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构通用寄存器型指令集结构的分类通用寄存器型指令集结构的分类o两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指两种主要的指令特性能够将通用寄存器型指令集结构（令集结构（GPR）进一步细分。）进一步细分。nALU指令

15、到底有两个或是三个操作数？指令到底有两个或是三个操作数？n在在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻址，也即有多少个存储器操作数？来寻址，也即有多少个存储器操作数？计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构通用寄存器型指令集结构的分类通用寄存器型指令集结构的分类ALU指令中指令中存存储储器操作器操作数个数数个数ALU指令中指令中操作数的最操作数的最大个数大个数机器机器实实例例02IBM RT-PC3SPARC，MIPS12PDP-10，IBM 360，Motorola 680003IBM360的部分指令的部分指令22PDP11，部分，部分I

16、BM360指令指令333VAX计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构通用寄存器型指令集结构的分类通用寄存器型指令集结构的分类o可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为三种类型：进一步细分为三种类型：n寄存器寄存器型寄存器寄存器型 (RR：register-register)n寄存器存储器型寄存器存储器型 (RM：register-memory)n存储器存储器型存储器存储器型 (MM：memory-memory)计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构三种通用寄存器型指令集结构的优缺点三种通用寄存器型指令集结构的优

17、缺点o寄存器寄存器型（寄存器寄存器型（0,3）n优点：优点：o简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。型，各种指令的执行时钟周期数相近。n缺点：缺点：o和指令中含有对存储器操作数访问的结构相比，和指令中含有对存储器操作数访问的结构相比，指令条数多，因而其目标代码较大。指令条数多，因而其目标代码较大。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构三种通用寄存器型指令集结构的优缺点三种通用寄存器型指令集结构的优缺点o寄存器存储器型（寄存器存储器型（1,2）n优点：优点：o可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指

18、令可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码较小。进行编码，且其目标代码较小。n缺点：缺点：o指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的限制指令所能够表示的寄存器个数。由于指令的操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以操作数可以存储在不同类型的存储器单元，所以每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。每条指令的执行时钟周期数也不尽相同。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构三种通用寄存器型指令

19、集结构的优缺点三种通用寄存器型指令集结构的优缺点o存储器存储器型（存储器存储器型（3,3）n优点：优点：o是一种最紧密的编码方式，无需是一种最紧密的编码方式，无需“浪费浪费”寄存器寄存器保存变量。保存变量。n缺点：缺点：o指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数指令字长多种多样。每条指令的执行时钟周期数也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器也大不一样，对存储器的频繁访问将导致存储器访问瓶颈问题。访问瓶颈问题。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构设计概观指令集结构设计概观硬硬硬硬 件件件件指指指指 令令令令 集集集集操作系统操作系统操作系统操作系统应用软件应用

20、软件应用软件应用软件操作码操作码操作码操作码寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构寻址技术寻址技术o在通用寄存器型指令集结构中，一般是利在通用寄存器型指令集结构中，一般是利用寻址方式指明指令中的操作数是一个常用寻址方式指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数，抑或是一个存储数、一个寄存器操作数，抑或是一个存储器操作数。器操作数。操作码操作码操作码操作码寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作

21、数计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构寻址技术寻址技术o寻址实际上是从形式地址到实际地址的转换。寻址实际上是从形式地址到实际地址的转换。形式地址由指令描述，实际地址也称为形式地址由指令描述，实际地址也称为有效有效地址地址。o有效地址指明的是存储器单元的地址或寄存有效地址指明的是存储器单元的地址或寄存器地址。器地址。o必须加速有效地址生成。必须加速有效地址生成。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式o寄存器寻址寄存器寻址n指令实例：指令实例：Add R4,R3n含义：含义：RegsR4RegsR4RegsR3o

22、立即值寻址立即值寻址n指令实例：指令实例：Add R4,#3n含义：含义：RegsR4RegsR43计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式o偏移寻址偏移寻址n指令实例：指令实例：Add R4,100(R1)n含义：含义：oRegsR4RegsR4Mem100+RegsR1o寄存器间接寻址寄存器间接寻址n指令实例：指令实例：Add R4,(R1)n含义：含义：oRegsR4RegsR4MemRegsR1计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式o索引寻址索引寻址n指令实

23、例：指令实例：Add R3,(R1+R2)n含义：含义：oRegsR3RegsR3MemRegsR1+RegsR2o直接寻址或绝对寻址直接寻址或绝对寻址n指令实例：指令实例：Add R1,(1001)n含义：含义：oRegsR1RegsR1Mem1001计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式o存储器间接寻址存储器间接寻址n指令实例：指令实例：Add R1,(R3)n含义：含义：oRegsR1RegsR1MemMemRegsR3o自增寻址自增寻址n指令实例：指令实例：Add R1,(R2)+n含义：含义：oRegsR1RegsR1

24、MemRegsR2oRegsR2RegsR2d计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式o自减寻址自减寻址n指令实例：指令实例：Add R1,-(R2)n含义：含义：oRegsR2RegsR2doRegsR1RegsR1+MemRegsR2o缩放寻址缩放寻址n指令实例：指令实例：Add R1,100(R2)R3n含义：含义：oRegsR1RegsR1Mem100RegsR2RegsR3*d计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构常用的一些操作数寻址方式常用的一些操作数寻址方式计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构

25、计算机体系结构偏移寻址偏移寻址计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构立即址寻址立即址寻址计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构立即址寻址立即址寻址计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构的功能设计指令集结构的功能设计o一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的操一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的操作呢？这就是所谓的指令集结构功能设计问题。作呢？这就是所谓的指令集结构功能设计问题。操作码操作码操作码操作码寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数寻址方式寻址方式寻址方式寻址方式操作数操作数操作数操作数计算机体系结

26、构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集操作的分类指令集操作的分类算算术术和和逻辑逻辑运算运算 整数的算整数的算术术和和逻辑逻辑操作：加、减、与、或等操作：加、减、与、或等数据数据传输传输Load/Store控制控制分支、跳分支、跳转转、过过程程调调用和返回、自陷等用和返回、自陷等系系统统操作系操作系统调统调用、虚用、虚拟拟存存储储器管理等器管理等浮点浮点浮点操作：加、乘等浮点操作：加、乘等十十进进制制十十进进制加、十制加、十进进制乘、十制乘、十进进制到字符的制到字符的转换转换字符串字符串字符串移字符串移动动、字符串比、字符串比较较、字符串搜索等、字符串搜索等图图形形像素操作、像素操

27、作、压缩压缩/解解压压操作等操作等计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集结构功能设计方向指令集结构功能设计方向o一个方向是强化指令功能，实现软件功能向硬件功一个方向是强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机能转移，基于这种指令集结构而设计实现的计算机系统称为系统称为复杂指令集计算机复杂指令集计算机（CISC）。）。o八十年代发展起来的八十年代发展起来的精简指令集计算机精简指令集计算机（RISC），），其目的是尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达其目的是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。到简化实现，提高性

28、能的目的。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构CISC指令集功能设计指令集功能设计o面向目标程序增强指令功能面向目标程序增强指令功能n提高运算型指令功能提高运算型指令功能;n提高传送指令功能提高传送指令功能;n增加程序控制指令功能。增加程序控制指令功能。o面向高级语言和编译程序改进指令系统面向高级语言和编译程序改进指令系统n增加对高级语言和编译系统支持的指令功能；增加对高级语言和编译系统支持的指令功能；n高级语言计算机指令系统。高级语言计算机指令系统。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构CISC指令集功能设计指令集功能设计o面向操作系统的优化实现改进指令

29、系统面向操作系统的优化实现改进指令系统n主要表现在对中断处理、进程管理、存储管理和主要表现在对中断处理、进程管理、存储管理和保护、系统工作状态的建立与切换等的支持。保护、系统工作状态的建立与切换等的支持。n可以设置支持系统工作状态和访问方式转移的指可以设置支持系统工作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令、支持进程转移的指令、支持进程同步和互斥的指令等措施，达到优化实现操作系统的目的。的指令等措施，达到优化实现操作系统的目的。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构RISC指令集功能设计指令集功能设计oCISC结构存在着如下缺点：结构存在着如下缺点：

30、n在在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，率相差悬殊。据统计，有有20的指令使用频率的指令使用频率最大，占运行时间的最大，占运行时间的80。也就是说，。也就是说，有有80的指令在的指令在20的运行时间内才会用到的运行时间内才会用到。nCISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系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，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。而且还容易造成设计错误。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构RISC指令集功能设计指令集功能设计n

31、CISC结构指令系统的复杂性给结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加设计增加了很大负担，不利于单片集成。了很大负担，不利于单片集成。nCISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。复杂的操作，因而运行速度慢。n在在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功结构的指令系统中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结能不均衡性，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。构技术（如流水技术）来提高系统的性能。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构RISC指令集功能设计指令集功能设计

32、执执行行频频率排序率排序80X86指令指令指令指令执执行行频频率率1Load222条件分支条件分支203比比较较164Store125加加86与与67减减58寄存器寄存器寄存器寄存器间间数据移数据移动动49调调用用110返回返回1合合 计计96计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构RISC指令集功能设计指令集功能设计o进行进行RISC计算机指令集结构的功能设计时，计算机指令集结构的功能设计时，我们并不能简单地着眼于精简指令系统上，我们并不能简单地着眼于精简指令系统上，更重要的目的是使得计算机体系结构更加简更重要的目的是使得计算机体系结构更加简单、更加合理和更加有效，克服单、更

33、加合理和更加有效，克服CISC结构结构的缺点，使机器速度更快，程序运行时间缩的缺点，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。短，从而提高计算机系统的性能。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构RISC指令集功能设计原则指令集功能设计原则o选取使用频率最高的指令，并补充一些最有选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；用的指令；o每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；器周期内完成；o所有指令长度均相同；所有指令长度均相同；o只有只有load和和store操作指令才访问存储器，操作指令才访问存储器，其它

34、指令操作均在寄存器之间进行；其它指令操作均在寄存器之间进行；o以简单有效的方式支持高级语言。以简单有效的方式支持高级语言。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构控制指令控制指令o“跳转跳转”（Jump）：当控制指令为无条件）：当控制指令为无条件改变控制流时，我们称之为改变控制流时，我们称之为“跳转跳转”。o“分支分支”（Branch）：而当控制指令是有）：而当控制指令是有条件改变控制流时，我们称之为条件改变控制流时，我们称之为“分支分支”。o控制流程的改变情况：控制流程的改变情况：n条件分支（条件分支（conditional branch）；）；n跳转（跳转（jump）；）；

35、n过程调用（过程调用（call）；）；n过程返回（过程返回（return）。）。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构控制指令的使用频率控制指令的使用频率计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构条件分支指令的表示条件分支指令的表示分支条件表示分支条件表示优优 点点缺缺 点点条件条件码码（CC）：）：在程序的控制下，在程序的控制下，由由ALU操作操作设设置置特殊的位特殊的位可以自由可以自由设设置分支条件置分支条件必须从一条指令将分支条必须从一条指令将分支条件信息传送到分支指令，件信息传送到分支指令，所以所以CC是额外状态，条是额外状态，条件码限制了指令执行顺序件

36、码限制了指令执行顺序 条件寄存器条件寄存器：根：根据比据比较结较结果果测试测试条件寄存器条件寄存器简单简单占用了一个寄存器占用了一个寄存器比比较较分支分支：比：比较较操作是分支指令操作是分支指令的一部分，比的一部分，比较较受限制受限制一条指令完一条指令完成了两条指成了两条指令的功能令的功能分支指令的操作增多分支指令的操作增多计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构分支目标地址的表示分支目标地址的表示P P P PC C C C-相相相相对对对对寻寻寻寻址址址址计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构过程调用和返回的状态保存过程调用和返回的状态保存o“调用者保存调

37、用者保存”（caller saving）方法：如果采）方法：如果采用调用者保存策略，那么在一个调用者调用别的过用调用者保存策略，那么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。用结束返回后，能够再次访问调用者。o“被调用者保存被调用者保存”（callee saving）方法：如果）方法：如果采用被调用者保存策略，那么被调用的过程必须保采用被调用者保存策略，那么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

38、时，恢复这些序执行环境，并在过程调用结束返回时，恢复这些寄存器的内容。寄存器的内容。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构两种保存策略的比较两种保存策略的比较计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o操作数类型和操作数表示也操作数类型和操作数表示也是软硬件主要界是软硬件主要界面之一面之一。o操作数类型操作数类型是面向应用、面向软件系统所处是面向应用、面向软件系统所处理的各种数据结构。理的各种数据结构。o操作数表示操作数表示是硬件结构能够识别、指令系统是硬件结构能够识别、指令系统可以直接调用的那些结构。可以直接调用

39、的那些结构。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o操作数表示操作数表示所表征的所表征的那些操作数类型，是那些操作数类型，是应用软件和系统软件应用软件和系统软件所处理的操作数类型所处理的操作数类型的子集。的子集。操作数类型操作数类型操作数类型操作数类型操作数表示操作数表示操作数表示操作数表示计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o确定操作数表示实际上也是软硬件取舍折衷的问题确定操作数表示实际上也是软硬件取舍折衷的问题n计算机即使只具有最简单的操作数表示，如只有整计

40、算机即使只具有最简单的操作数表示，如只有整数（定点）表示法，也可以通过软件方法处理各种数（定点）表示法，也可以通过软件方法处理各种复杂的操作数类型，但是这样会大大降低系统的效复杂的操作数类型，但是这样会大大降低系统的效率率n如果各种复杂的操作数类型均包含在操作数表示之如果各种复杂的操作数类型均包含在操作数表示之中，无疑会大大提高系统的效率，但是所花费的硬中，无疑会大大提高系统的效率，但是所花费的硬件代价也很高件代价也很高计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o整数（定点）整数（定点）：二进制补码表示；其大小可以是字：二进制补码表

41、示；其大小可以是字节（节（8位）、半字（位）、半字（16位）或单字（位）或单字（32位）。位）。o浮点浮点：可以分为：可以分为单精度浮点单精度浮点（单字大小）和（单字大小）和双精度双精度浮点浮点（双字大小）。当前普遍采用的是（双字大小）。当前普遍采用的是IEEE 754浮点操作数表示标准。浮点操作数表示标准。o字符和字符串字符和字符串：8位位ASCII码表示。码表示。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o十进制：通常采用十进制：通常采用“压缩十进制压缩十进制”或或“二进制编二进制编码十进制码十进制”表示。压缩十进制数据表示用表

42、示。压缩十进制数据表示用4位编码位编码数字数字09，然后将两个十进制数字压缩在一个字，然后将两个十进制数字压缩在一个字节中存储。如果将十进制数字直接用字符串来表示，节中存储。如果将十进制数字直接用字符串来表示，就叫做就叫做“非压缩十进制非压缩十进制”表示法。表示法。o提供给压缩十进制表示法和非压缩十进制表示法两提供给压缩十进制表示法和非压缩十进制表示法两者之间的相互转换的操作分别称为者之间的相互转换的操作分别称为“压缩压缩”与与“解解压压”操作。操作。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o操作数类型的表示主要有如下两种方法：操

43、作数类型的表示主要有如下两种方法：n操作数的类型可以操作数的类型可以由操作码的编码指定由操作码的编码指定，这也，这也是最常见的一种方法；是最常见的一种方法；n数据可以附上数据可以附上由硬件解释的标记由硬件解释的标记，由这些标记，由这些标记指定操作数的类型，从而选择适当的运算。然指定操作数的类型，从而选择适当的运算。然而有标记数据的机器却非常少见。而有标记数据的机器却非常少见。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构操作数的类型、表示和大小操作数的类型、表示和大小o一般的操作数类型大小选择主要有：字节、半字一般的操作数类型大小选择主要有：字节、半字（16位）、单字（位）、单字（3

44、2位）、和双字（位）、和双字（64位）。位）。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集格式的设计指令集格式的设计o指令集格式的设计就是要指令集格式的设计就是要确定操作码字段确定操作码字段和和地址码地址码字段字段的大小及其组合形式，以及各种的大小及其组合形式，以及各种寻址方式寻址方式的编的编码方法。码方法。o设计原则设计原则：n尽可能地增加寄存器数目和寻址方式类型尽可能地增加寄存器数目和寻址方式类型n充分考虑寄存器字段和寻址方式字段对指令平均充分考虑寄存器字段和寻址方式字段对指令平均字长的影响，以及它们对目标代码大小的影响字长的影响，以及它们对目标代码大小的影响n设计出的指

45、令集格式能够在具体实现中容易处理设计出的指令集格式能够在具体实现中容易处理计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构寻址方式的表示方法寻址方式的表示方法o两种表示寻址方式的方法两种表示寻址方式的方法：n一种是将寻址方式编码于操作码中，由操作码一种是将寻址方式编码于操作码中，由操作码在描述指令操作的同时，也描述了相应操作的在描述指令操作的同时，也描述了相应操作的寻址方式；寻址方式；n一种是为每个操作数设置一个地址描述符，由一种是为每个操作数设置一个地址描述符，由该地址描述符表示相应操作数的寻址方式。该地址描述符表示相应操作数的寻址方式。操作码操作码操作码操作码AD1AD1AD1AD

46、1AF1AF1AF1AF1AD2AD2AD2AD2AF2AF2AF2AF2AD3AD3AD3AD3AF3AF3AF3AF3计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集格式的选择指令集格式的选择o变长编码方式：（变长编码方式：（重点：目标代码大小重点：目标代码大小）o固定长度编码方式：（固定长度编码方式：（重点：程序执行性能重点：程序执行性能）操作码操作码操作码操作码AD1AD1AD1AD1AF1AF1AF1AF1AD2AD2AD2AD2AF2AF2AF2AF2AD3AD3AD3AD3AF3AF3AF3AF3操作码操作码操作码操作码地址地址地址地址1 1 1 1地址地址地址地址

47、2 2 2 2地址地址地址地址3 3 3 3计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构指令集格式的选择指令集格式的选择o混合型编码格式：混合型编码格式：操作码操作码操作码操作码ADADADADAFAFAFAF操作码操作码操作码操作码ADADADADAF1AF1AF1AF1AF2AF2AF2AF2操作码操作码操作码操作码ADADADADAF1AF1AF1AF1AF2AF2AF2AF2AD2AD2AD2AD2计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构DLX指令集结构指令集结构oLoad/Store型指令集结构型指令集结构oDLX是一种是一种多元指令集结构多元指令集结构n

48、体现了当今多种机器（体现了当今多种机器（AMD29K、DEC station 3100、HP850、IBM 801、Intel i860、MIPS M/120A、MIPS M/1000、Motorola 88k、RISC I、SGI4D/60、SPARC station 1、Sun 4/110、Sun 4/260等）的指令集结构的共同特点。等）的指令集结构的共同特点。n还将会体现未来一些机器的指令集结构的特点。还将会体现未来一些机器的指令集结构的特点。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构DLX指令集结构指令集结构o具有一个简单的具有一个简单的Load/Store指令集；指令

49、集；o注重指令流水效率；注重指令流水效率；o简化指令的译码；简化指令的译码；o高效支持编译器。高效支持编译器。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构DLX指令集结构：指令集结构：寄存器寄存器32323232个个个个32323232位位位位的的的的通通通通用用用用寄寄寄寄存存存存器（器（器（器（GPRsGPRsGPRsGPRs）。）。）。）。寄寄寄寄存存存存器器器器R0R0R0R0的的的的内内内内容容容容恒恒恒恒为为为为全全全全0 0 0 0。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构DLX指令集结构：指令集结构：寄存器寄存器32323232个个个个3232323

50、2位位位位浮浮浮浮点点点点寄寄寄寄存器（存器（存器（存器（FPRsFPRsFPRsFPRs）。）。）。）。单单单单精精精精度度度度浮浮浮浮点点点点数数数数表表表表示示示示和和和和双双双双精精精精度度度度浮浮浮浮点点点点数数数数表表表表示。示。示。示。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构DLX指令集结构：指令集结构：数据类型数据类型o整型数据：整型数据：n8位、位、16位、位、32位。位。o浮点数据：浮点数据：n32位单精度浮点；位单精度浮点；n64位双精度浮点；位双精度浮点；nIEEE 754标准。标准。00000000000000000000000001100100111