指令系统

三种类型的指令系统，CISC，RISC，VLIW：超长指令字

指令系统的设计：格式设计、功能设计、性能评价

用数据表示确定哪些数据类型的原则 ? 缩短程序的运行时间 ? 减少CPU与主存储器之间的通信量 ? 该数据表示通用性和利用率

• 一般：字节编址，字访问
• 部分机器：位编址，字访问
• 辅助存储器：块编址，位访问

字节编址 字访问的问题：

谈字节编址字访问的地址信息浪费问题_TalesOV的博客-CSDN博客

关于地址的浪费：

字编址32位去访问，地址的最低两位都是00.如果32位机器按照半字（两个字节）寻址，那么最后一个二进制位会是0

与访问的最小单位有关系

双字地址最末三个二进制位必须为000，单字地址最末两位必须为00，半字地址最末一位必须为0

大端小端问题

0x123456

大端：数据从高字节向低字节排列(从左往右 0x123456)

小端：数据从低字节向高字节排列(0x654321)

零地址空间个数(不懂)

•三个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备独立编址 • 两个零地址空间：主存储器与输入输出设备统一编址 • 一个零地址空间：最低端是通用寄存器，最高端是输入输出设备， 中间为主存储器 • 隐含编址方式：堆栈、Cache等

一个零地址空间，即所有存储设备统一编址，地址低端是通用寄存器，最高端是I/O设备，中间绝大多数给主存。

并行存储器的编址技术 • 高位交叉编址：主要用来扩大存储器容量。 • 低位交叉编址：主要是提高存储器速度。

模m低位交叉编址：

寻址规则 • 体地址𝑗＝𝐴 𝑚𝑜𝑑 𝑚 • 体内地址𝑖 = 𝐴/𝑚

适合于单处理机内的数据存取和带Cache的主存

同样还有模M高位交叉编址

适合于共享存储器的多机系统，适用于指令和数据分别存于不同分体中

输入输出设备的编址

一台设备一个地址：仅对输入输出设备本身进行编址，需要通过指 令中的操作码来识别该输入输出设备接口上的有关寄存器 Ø 一台设备两个地址：数据寄存器、状态或控制寄存器。 Ø 多个编址寄存器共用同一个地址的方法： • 依靠地址内部来区分，适用于被编址的寄存器的长度比较短 • “下跟法”隐含编址方式，必须按顺序读写寄存器。 Ø 一台设备多个地址：增加编程的困难

• 立即数寻址
• 面向寄存器寻址
• 面向主存储器寻址
  • 直接寻址
  • 间接寻址
  • 变址寻址
• 面向堆栈寻址

定位方式主要研究程序的主存物理地址在什么时间确定，采用什 么方式来实现

地址转化

程序需要定位的主要原因： • 程序的独立性 • 程序的模块化设计 • 数据结构在程序运行过程中，其大小往往是变化的 • 有些程序本身很大，大于分配给它的主存物理空间

定位方式

Ø 直接定位方式：在程序装入主存储器之前，程序中的指令和数据的主存物理就已经确定了的称为直接定位方式。 Ø 静态定位：在程序装入主存储器的过程中随即进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为静态定位方式。 Ø 动态定位：在程序执行过程中，当访问到相应的指令或数据时才进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为动态定位方式。

动态定位需要：增加相应的基址寄存器和地址加法器硬件，在程序不做变换直接装入主存的同时，将装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中

程序执行时，通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器内的程序基址，形成有效的物理地址

可在指令中加入相应的标志位来指明指令地址是否需要加基址

主要目标：节省程序的存储空间，指令格式尽量规整，便于译码

操作码的三种编码方法：固定长度、Huffman编码、扩展编码

优化操作码编码的目的：节省程序存储空间

概率高的用最短的位数来处理

操作码的平均长度公式： H = − ∑ p i ∗ l o g 2 p i , p i 是 第 i 种 操 作 码 出 现 的 概 率 H = -\sum pi*log_2p^i,pi是第i种操作码出现的概率 H=−∑pi∗log2​pi,pi是第i种操作码出现的概率

固定长编码相对于最优Huffman编码的信息冗余量： R = 1 − − ∑ p i ∗ l o g 2 p i l o g 2 n 分 母 需 要 向 上 取 整 R = 1-\frac{-\sum pi*log_2p_i}{log_2n} 分母需要向上取整 R=1−log2​n−∑pi∗log2​pi​​分母需要向上取整

最短平均长度 H o p t 是 一 个 理 想 值 H_{opt} 是一个理想值 Hopt​是一个理想值

然后算信息冗余量R = 1 - Hopt / H实际 就是冗余量

huffman缺点：

• 操作码长度很不规整，硬件译码困难
• 与地址码共同组成固定长的指令比较困难

操作码长度不是定长，但是只有 有限几种码长

4-8-12等长扩展编码法：

一个是从每次15个 一个是 8/64/512

• 按CISC方向：增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令，取代 原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化
• 按RISC方向：通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计的复 杂度，提高指令执行速度

RISC 定义以及特点

1. 减少指令和寻址方式种类：指令系统只选择高频指令，减少指令数量，一般不超 过100条；减少寻址方式，一般不超过两种
2. 固定指令格式：精减指令格式限制在两种以内，并使全部指令都在相同的长度
3. 大多数指令在单周期内完成：让所有指令都在一个周期内完成
4. 采用LOAD/STORE结构：扩大通用寄存器数量（一般不少于32个），尽量减少访存， 所有指令只有存（STORE）/取（LOAD）指令可以访存，其他指令只对寄存器操作
5. 硬布线逻辑：大多数指令采用硬联逻辑，少数指令采用微程序实现，提高指令执 行速度
6. 优化编译：通过精减指令和优化设计编译程序，简单有效地支持高级语言实现

为了使指令流水线不断流，在转移指令之后插入一条没有数据相关和控制相关的有效指令，而转移指令被延迟执行，这种技术称为延迟转移技术

采用指令延迟转移技术时，指令序列的调整由编译器自动进行，用户不必干预

类似于指令重排

采用延迟转移技术的两个限制条件 • 被移动指令在移动过程中与所经过的指令之间没有数据相关 • 被移动指令不破坏条件码，至少不影响后面的指令使用条件码

Ø如果找不到符合上述条件的指令，必须在条件转移指令后面插入空操作 Ø如果指令的执行过程分为多个流水段，则要插入多条指令 • 插入1条指令成功的概率比较大，插入2条或2条以上指令成功的概率明显下降(找不到啊)

采用指令延时技术，经常找不到可以用来调整的指令， • 可考虑采用另一种方法：指令取消技术 • 分为两种情况： (1) 向后转移（适用于循环程序） (2) 向前转移(IF THEN )

原因：在RISC中，子程序比CISC中多，因为传送参数而访问存储器的信息 量很大 Ø实现方法：设置一个数量比较大的寄存器堆，并把它划分成很多个窗口。 在每个过程使用的几个窗口中： • 有一个窗口是与前一个过程共用 • 有个窗口是与下一个过程共用

情况： (1) 向后转移（适用于循环程序） (2) 向前转移(IF THEN )

原因：在RISC中，子程序比CISC中多，因为传送参数而访问存储器的信息 量很大 Ø实现方法：设置一个数量比较大的寄存器堆，并把它划分成很多个窗口。 在每个过程使用的几个窗口中： • 有一个窗口是与前一个过程共用 • 有个窗口是与下一个过程共用

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