第2章-计算机指令系统的设计

计算机系统结构第2章计算机指令系统的设计2.1指令集结构的分类2.2寻址方式2.3指令系统的设计和优化2.3.1按CISC方向发展和改进指令系统2.3.2按RISC方向发展和改进指令系统2.3.3指令操作码的优化2.3.4指令字格式的优化2.4MIPS指令系统结构计算机系统结构第2章计算机指令系统的设计计算机指令集结构的设计是计算机体系结构设计的核心问题之一，是软、硬件功能分配最主要的界面，它历来是计算机体系结构设计者、系统软件设计者和硬件设计者所共同关注的问题。2.1指令集结构的分类一般来说，可以从以下5个因素考虑对计算机的指令集结构进行分类：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2.1指令集结构的分类其中，CPU中操作数的存储方法，即在CPU中用来存储操作数的存储单元的类型，是各种指令集结构之间的最主要区别所在。CPU中用来存储操作数的存储单元堆栈累加器通用寄存器组2.1指令集结构的分类将指令系统的结构分为三种类型堆栈结构累加器结构通用寄存器结构根据操作数的来源不同，又可进一步分为:寄存器-存储器结构（RM结构）(操作数可以来自存储器)寄存器-寄存器结构（RR结构）(所有操作数都是来自通用寄存器组)也称为load-store结构，这个名称强调：只有load指令和store指令能够访问存储器。2.1指令集结构的分类对于不同类型的结构，操作数的位置、个数以及操作数的给出方式（显式或隐式）也会不同。显式给出：用指令字中的操作数字段给出隐式给出：使用事先约定好的单元2.1指令集结构的分类

例:表达式C=A+B在4种类型指令系统结构上的代码。假设：A、B、C均保存在存储器单元中，并且不能破坏A和B的值。2.1指令集结构的分类通用寄存器型结构现代指令系统结构的主流在灵活性和提高性能方面有明显的优势跟其它的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问速度比存储器快。对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。寄存器可以用来存放变量。

（1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度；（因为寄存器比存储器快）（2）用更少的地址位（相对于存储器地址来说）来对寄存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的大小。

2.1指令集结构的分类根据ALU指令的操作数的两个特征对通用寄存器型结构进一步细分ALU指令的操作数个数3个操作数的指令

两个源操作数、一个目的操作数2个操作数的指令

其中一个操作数既作为源操作数，又作为目的操作数。ALU指令中存储器操作数的个数可以是0～３中的某一个，为0表示没有存储器操作数。2.1指令集结构的分类ALU指令中操作数个数和存储器操作数个数的典型组合2.1指令集结构的分类通用寄存器型结构进一步细分为3种类型寄存器－寄存器型（RR型）寄存器－存储器型（RM型）存储器－存储器型（MM型）

3种通用寄存器型结构的优缺点下表中(m，n)表示指令的n个操作数中有m个存储器操作数。2.1指令集结构的分类第2章计算机指令系统的设计2.2寻址方式寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。对于存储器操作数来说，由寻址方式确定的存储器地址称为有效地址。2.2寻址方式一些操作数寻址方式：赋值操作Mem：存储器Regs：寄存器组方括号：表示内容Mem[]：存储器的内容Regs[]：寄存器的内容Mem[Regs[R1]]：以寄存器R1中的内容作为地址的存储器单元中的内容2.2寻址方式寻址方式指令实例含义寄存器寻址ADDR1,R2Regs[R1]←Regs[R1]＋Regs[R2]立即值寻址ADDR3,#6Regs[R3]←Regs[R3]＋6偏移寻址ADDR3,120(R2)Regs[R3]←Regs[R3]＋Mem[120+Regs[R2]]寄存器间接寻址ADDR4,(R2)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]]索引寻址ADDR4,(R2+R3)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]+Regs[R3]]直接寻址或绝对寻址ADDR4,(1010)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[1010]存储器间接寻址ADDR2,@(R4)Regs[R2]←Regs[R2]＋Mem[Mem[Regs[R4]]]自增寻址ADDR1,(R2)+Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]]Regs[R2]←Regs[R2]＋d自减寻址ADDR1,-(R2)Regs[R2]←Regs[R2]－dRegs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]]缩放寻址ADDR1,80(R2)[R3]Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[80＋Regs[R2]＋Regs[R3]*d]2.2寻址方式采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条数，但可能增加计算机的实现复杂度以及指令的CPI。2.2寻址方式各种寻址方式的使用情况统计结果在VAX机器上运行gcc、Spice和Tex基准程序立即数寻址方式和偏移寻址方式的使用频度最高。

2.2寻址方式偏移寻址偏移量的取值范围在load-store结构的机器（Alpha）上运行SPECCPU2000基准程序2.2寻址方式位移量字段的大小直接影响到指令的长度。从图中可以看出：程序所使用的偏移量大小分布十分广泛主要是由于在存储器中所保存的数据并不是十分集中，需要使用不同的偏移量对其进行访问。较小的偏移量和较大的偏移量均占有相当大的比例。2.2寻址方式立即数寻址方式立即数寻址方式的使用频度大约1/4的load指令和ALU指令采用了立即数寻址。

2.2寻址方式立即数的取值范围2.2寻址方式立即数取值的大小也影响到指令长度最常用的是较小的立即数有时也会用到较大的立即数（主要用于地址计算）测试表明，16位的长度覆盖大约80%，8位可以覆盖大约50%。2.2寻址方式两种表示寻址方式的方法将寻址方式编码于操作码中，由操作码描述相应操作的寻址方式。适合：处理机采用load-store结构，寻址方式只有很少几种。在指令字中设置专门的寻址字段，用以直接指出寻址方式。灵活，操作码短，但需要设置专门的寻址方式字段，而且操作码和寻址方式字段合起来所需要的总位数可能会比隐含方法的总位数多。适合：处理机具有多种寻址方式，且指令有多个操作数。第2章计算机指令系统的设计2.3指令系统的设计和优化指令系统的设计首先考虑所应实现的基本功能，确定哪些基本功能应该由硬件实现，哪些功能由软件实现比较合适。包括指令的功能设计指令格式的设计在确定哪些基本功能用硬件来实现时，主要考虑3个因素：速度、成本、灵活性。2.3指令系统的设计和优化在设计新的指令系统时，一般按以下步骤反复多次地进行，直至指令系统的效能达到很高为止。根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令。试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序。对各种算法编写大量测试程序并进行模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高。将程序中高频出现的指令串复合，将其改成一条强功能新指令，即改用硬件方式实现，而将出现频度很低的指令的操作改成用基本指令组成的指令串来完成，即用软件方式实现。对指令系统的基本要求

完整性、规整性、正交性、高效率、兼容性

完整性：在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令系统所提供的指令足够使用。要求指令系统功能齐全、使用方便下表为许多指令系统结构都包含的一些指令类型前4类属于通用计算机系统的基本指令对于最后4种类型的操作，不同指令系统结构的支持大不相同。2.3指令系统的设计和优化2.3指令系统的设计和优化2.3指令系统的设计和优化规整性：主要包括对称性和均匀性。对称性：所有与指令系统有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。例如：在存储单元的使用上，所有通用寄存器都要同等对待。在操作码的设置上，如果设置了A－BA的指令，就应该也设置A－BB的指令。

均匀性：指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待。例如：如果某机器有5种数据表示，4种字长，两种存储单元，则要设置5×4×2=40种同一操作的指令。

2.3指令系统的设计和优化正交性：在指令中各个不同含义的字段，如操作类型、数据类型、寻址方式字段等，在编码时应互不相关、相互独立。高效率：指指令的执行速度快、使用频度高。兼容性：主要是要实现向后兼容，指令系统可以增加新指令，但不能删除指令或更改指令的功能。2.3指令系统的设计和优化在设计指令系统时，有两种截然不同的设计策略。（产生了两类不同的计算机系统）CISC（复杂指令系统计算机）ComplexInstructionSetComputer增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。RISC（精简指令系统计算机）ReducedInstructionSetComputer尽可能地把指令系统简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单。

2.3指令系统的设计和优化20世纪50年代，由于硬件价格高、体积大、可靠性低，因此计算机的指令系统比较简单。随着半导体技术和微电子技术的发展，为增强系统功能和提高速度就不断增加指令系统的复杂度。大致有以下几个原因：当高级语言（如C语言）取代汇编语言后，就不断增加新的复杂指令来支持高级语言程序的高效实现。由于访主存的速度显著低于访CPU寄存器的速度，因此在功能相同时，不断增加用一条功能复杂的新指令来取代原先需一连串指令完成的功能，将程序软件固化或硬化。系列机软件要求向上兼容和向后兼容，使得指令系统不断扩大和增加，而原有指令又不能取消，特别是采用微程序控制后，有人就开始滥用控制存储器，导致指令条数、功能、寻址方式和指令的格式都越来越复杂。2.3指令系统的设计和优化到了20世纪70年代末，这种CISC设计已不能适应优化编译及VLSI技术的发展，所以又提出了简化和规整指令系统的RISC思想。然而，单纯的RISC存在某些CISC没有的致命弱点，于是又采用将RISC和CISC两者相结合的思想，以相互取长补短。因此，近年来，RISC和CISC之间的界面越来越模糊了，尽管如此，指令系统的结构与单纯的CISC或RISC毕竟有着明显的不同。2.3指令系统的设计和优化2.3.1按CISC方向发展和改进指令系统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以下3个方面着手：面向目标程序的优化实现改进面向高级语言的优化实现改进面向操作系统的优化实现改进2.3指令系统的设计和优化面向目标程序的优化实现改进对大量的目标程序及其执行情况进行统计分析，找出那些使用频度高、执行时间长的指令或指令串。对于使用频度高的指令，用硬件加快其执行；对于使用频度高的指令串，用一条新的指令来替代。既能减少目标程序的执行时间，也能有效地缩短程序的长度。可以从以下几个方面来改进：增强运算型指令的功能增强数据传送指令的功能增强程序控制指令的功能2.3指令系统的设计和优化例如：循环在程序中占有相当大的比例，所以在指令上提供专门的支持。循环控制部分通常用3条指令完成：一条加法指令一条比较指令一条分支指令设置循环控制指令，用一条指令完成上述3条指令的功能。

一般循环程序的结构2.3指令系统的设计和优化面向高级语言的优化实现改进尽可能缩短高级语言与机器语言的语义差距，支持高级语言编译，缩短编译程序长度和编译时间。途径1：通过对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计来分析改进。对高频语句增设与之语义差距小的新指令。但不同用途的高级语言，其语句使用频度有较大差异，机器指令系统很难做到对各种语言都是优化的。2.3指令系统的设计和优化途径2：如何面向编译，优化代码生成来改进。由于目前机器上运行的绝大多数目标程序是经编译系统生成的，从优化代码生成上考虑，应当增强系统结构的规整性，尽量减少例外或特殊的情况和用法，让所有运算都对称、均匀地在存储（寄存器）单元间进行，对所有存储（寄存器）单元同等对待，不论是操作数或运算结果都可无约束地存放在任意单元中。这样，为优化管理通用寄存器的使用可以大大减少很多辅助开销。2.3指令系统的设计和优化途径3：设法改进指令系统，使它与各种语言间的语义差距都有同等的缩小。如图所示，可以把系统结构点向右移，使得它与各种语言间的路长都得到缩短。各种语言与传统机器指令系统结构的语义差距

2.3指令系统的设计和优化途径4：机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、多种系统结构。工作前由操作系统根据所用高级语言切换控制存储器中所存相应的微程序，如图所示，让系统结构是动态的，而不是静态的。由“以指令系统为主，高级语言为从”的方式演变成“以高级语言为主，指令系统为从”的方式。

B-1700具有多种系统结构(1972年)

2.3指令系统的设计和优化途径5：发展高级语言计算机(或称高级语言机器)。编译主要采用的是翻译技术，在微程序控制的机器上，机器语言是用解释实现的。面向编译通过缩小语义差距改进指令系统的思路实际上意味着增大解释的比重，减少翻译的比重。各种语言的语义差距

2.3指令系统的设计和优化面向操作系统的优化实现改进途径1：通过对操作系统中常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进。但是，这种改进的效果很有限。途径2：考虑如何增设专用于操作系统的新指令。

例如，IBM公司最初在IBM360系统上并未对多个进程使用公用区的管理提供专门指令，而是给公用区设置标志位(信号灯)，结果在多道程序分时系统情况下经常发生公用区的使用混乱，于是很快增加了一条“测试与置定”指令，但实践中又发现常发生系统“死锁”的现象。为此增设了“比较与交换”指令。2.3指令系统的设计和优化途径3：是把操作系统中频繁使用的，对速度影响大的机构型软件子程序硬化或固化，改为直接用硬件或微程序解释实现。途径4：发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构。2.3指令系统的设计和优化2.3.2按RISC方向发展和改进指令系统1.CISC指令系统结构存在的问题

（1979年开始，Patterson等人的研究）各种指令的使用频度相差悬殊，许多指令很少用。据统计：只有20％的指令使用频度比较高，占运行时间的80％。而其余80％的指令只在20％的运行时间内才会用到。使用频度高的指令也是最简单的指令。2.3指令系统的设计和优化Intel80x86最常用的10条指令2.3指令系统的设计和优化指令系统庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂，使得控制器硬件非常复杂。

导致的问题：占用了大量的芯片面积（如占用CPU芯片总面积的一半以上），给VLSI设计造成很大的困难；增加了研制时间和成本，容易造成设计错误。许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢。采用这些复杂指令有可能使整个程序的执行时间反而增加。由于指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水技术来提高性能。2.3指令系统的设计和优化2.设计RISC的基本原则(1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，再增加少量能有效支持操作系统、高级语言实现及其他功能的指令，大大减少指令条数，使之一般不超过100条。(2)减少指令系统所用寻址方式种类，一般不超过两种。简化指令的格式限制在两种之内，并让全部指令都是相同长度。(3)让所有指令都在一个机器周期内完成。

2.3指令系统的设计和优化(4)扩大通用寄存器数，一般不少于32个，尽量减少访存，所有指令只有存(STORE)、取(LOAD)指令访存，其他指令一律只对寄存器操作。(5)为提高指令执行速度，大多数指令都用硬联控制实现，少数指令才用微程序实现。(6)通过精简指令和优化设计编译程序，简单有效地支持高级语言的实现。2.3指令系统的设计和优化3.设计RISC结构采用的基本技术(1)按设计RISC的一般原则来设计。确定指令系统时，通过指令使用频度的统计，选取其中常用的基本指令，并增设一些对操作系统、高级语言、应用环境等支持最有用的指令，使指令数精简。在指令的功能、格式和编码设计上尽可能简化规整。所有指令尽可能等长，寻址方式尽量统一成1~2种，指令的执行尽量能安排在一个机器周期内完成。

2.3指令系统的设计和优化(2)逻辑实现采用硬联和微程序相结合。让大多数简单指令用硬联方式实现，功能较复杂的指令允许用微程序解释实现，是比较适宜的，可以免去或减少微指令的译码时间，直接控制通路操作，加快解释和便于微指令流水。

(3)在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口。为减少访存，尽量让指令的操作在寄存器之间进行以提高执行速度，缩短指令周期，简化寻址方式和指令格式；为更简单有效地支持高级语言中大量出现的过程调用。RSICⅡ的重叠寄存器窗口

2.3指令系统的设计和优化(4)指令用流水和延迟转移。(5)采用高速缓冲存储器Cache,设置指令Cache和数据Cache分别存放指令和数据。这样，可以保证向指令流水线不间断地输送指令和存取数据，来提高流水的效率。(6)优化设计编译系统。RISC机器由于使用了大量寄存器，简化局部变量和工作变量的中间传递。另外，还应优化调整指令的执行顺序，以尽量减少机器的空闲等。上述延迟转移也可以看成是一个调整指令执行顺序的典型例子。2.3指令系统的设计和优化4.RISC技术的发展采用RISC结构后可以带来如下好处：(1)简化指令系统设计，适合VLSI实现。(2)提高机器的执行速度和效率。(3)降低了设计成本，提高了系统的可靠性。(4)可直接支持高级语言的实现，简化编译程序的设计。因此，精简指令系统在计算机结构设计中已成为一种非常重要的思路。2.3指令系统的设计和优化RISC也存在某些问题和不足：(1)由于指令少，使原在CISC上由单一指令完成的某些复杂功能现在要用多条RISC指令才能完成，加重了汇编语言程序设计的负担，增加了机器语言程序的长度，占用存储空间多，加大了指令的信息流量。(2)对浮点运算执行和虚拟存储器的支持虽有很大加强，但仍显得不足。(3)RISC机器的编译程序比CISC的难写。

2.3指令系统的设计和优化RISC的发展方向1）由于RISC也存在不足和问题，使得在设计CPU时，向着RISC和CISC结合，取长补短的方向发展。例如，MC68030虽然是CISC结构，但也引进了某些RISC的结构特点。2）随着芯片面积的增大及集成度的提高，多数微型芯片设计开始加入了如下的功能：(1)进一步增大工作寄存器数量，并修改CPU部分结构，以满足多媒体应用；(2)增加并增大在片Cache的容量，并使其工作时钟能与CPU一致；(3)增设不少高速CISC类型的指令；2.3指令系统的设计和优化(4)采用附加功能部件执行超标量或VLIW(超长指令字)；(5)在片加速浮点数操作；(6)增大流水线深度或增大分段流水段间的缓冲能力；(7)在前端增加对硬件代码转换的支持；(8)在转移之前就开始用猜测方式执行；(9)使用自适应转移预测和恢复；(10)改用数据驱动，让程序动态非顺序地执行；2.3指令系统的设计和优化2.3.3指令操作码的优化指令由两部分组成：操作码、地址码指令格式的设计确定指令字的编码方式，包括操作码字段和地址码字段的编码和表示方式。指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。2.3指令系统的设计和优化基本方法有：1、定长编码 指令长度固定，编码简单但冗余量大。2、Huffman（哈夫曼）编码 考虑指令出现的概率，指令长度不固定。3、扩展操作码编码 长度不固定，但只有有限几种码长。2.3指令系统的设计和优化例：现假设某模型机共有n（n=7）条指令，使用频度如图所示：2.3指令系统的设计和优化按信息论观点当各种指令的出现是相互独立时(实际并不都是如此)，操作码的信息熵(信息源所含平均信息量)说明表示这7种指令的操作码平均只需2.17位即可

用定长编码表示需┍log2n┑=3位，信息冗余为2.3指令系统的设计和优化哈夫曼编码基本思想：当各种事件发生的概率不均等时，可以对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对于出现概率较低的事件，则可以用较长的位数（时间）来表示（处理），从而使总的平均位数（时间）缩短。2.3指令系统的设计和优化哈夫曼编码方法：利用哈夫曼算法，构造哈夫曼树。将所有指令的使用频度由小到大排序，每次选择其中最小的两个频度合并成一个频度，使它们二者之和成为一个新节点。再按该频度大小插到余下未参与结合的频度值中。如此继续进行，直到全部频度结合完毕形成根结点为止。之后，对每个节点向下延伸，分出两个分支，分别用一位代码的“0”或“1”来表示。这样从根结点开始，沿线到达各频度指令所经过的代码序列就构成该频度指令的哈夫曼编码。由于哈夫曼编码中的断码不可能是长码的前缀，从而保证了解码的唯一性和实时性。2.3指令系统的设计和优化构造哈夫曼树2.3指令系统的设计和优化写出哈夫曼编码2.3指令系统的设计和优化哈夫曼编码并不是唯一的。只要将沿线所经过的“0”或“1”互换一下，就会得到一组新的编码。当有多个相同的最小频度时，由于频度结合的次序不同，树的形状不同，码也不同。但只要采用完全的哈夫曼编码，操作码的平均码长肯定是唯一的，而且是可用二进制位编码的平均码长最短的编码。操作码的平均码长 位，非常接近于H。这种编码的信息冗余为2.3指令系统的设计和优化哈夫曼编码的优缺点：比起用三位定长码的信息冗余28%要小得多。全哈夫曼编码是最优化的编码。但这种编码的码长种类太多，7种指令就有4种码长，不便于译码，因而不能实现，不是操作码的最优化编码。扩展操作码编码是界于定长二进制编码和全哈夫曼编码之间的一种编码方式，操作码长度不是定长的，但只有有限几种码长(如这里只有两种码长)。利用高概率的用短码、低概率的用长码表示的哈夫曼压缩思想，然后分别用定长码来实现。使操作码平均长度缩短，以降低信息冗余。2.3指令系统的设计和优化表右部分的扩展操作码编码平均码长2.30，这种编码的信息冗余为5.65%。介于定长码和哈夫曼编码之间。2.3指令系统的设计和优化扩展操作码编码包括两种方法：等长扩展和不等长扩展。2.3指令系统的设计和优化扩展标志不同，还可有其他许多种扩展方案。选用哪种编码方法取决于指令使用频度pi的分布。若pi值在头15种指令中都比较大，但在30种指令后急剧减少，则宜选15/15/15法；若pi值在头8种指令中较大，之后的64种指令的pi值也不太低时，则宜选8/64/512法。衡量标准是看哪种编码法能使平均码长∑pili最短。2.3指令系统的设计和优化2.3.4指令字格式的优化若只有操作码的优化，没有在地址码和寻址方式上采取措施，则程序总位数还是难以减少。如果主存按位编址，指令字又不按整数边界存储，而是逐条紧挨着存储，操作码的优化表示会直接带来程序总位数的减少，然而，这样做会使有些指令都需要两个主存周期才能取出，使机器速度明显下降。为了不降低访存取指令的速度，就要维持指令字按整数边界存储。那么如何发挥操作码优化表示的作用呢？以下先来分析只有一种长度L的定长指令字的情况。2.3指令系统的设计和优化由于操作码优化表示后的长度li会因pi不同有多种，但操作码优化带来的li缩短，只使指令字出现空白浪费，如图所示。显然，只有地址也可