计算机系统结构 之 指令系统

基本概念

 指令系统是计算机系统结构的主要组成部分，是软件与硬件之间相互沟通的桥梁，也是软硬件分界面的一个主要标志，让软件之间的语义差异越来越大。

1. 周期的概念

指令周期：
 CPU取出一条指令并执行这条指令的时间总和

CPU周期：
 一条指令执行的一个阶段、一个过程

时钟周期：
 通常称为节拍脉冲或T周期，一个CPU周期包含若干个时钟周期

2. 指令的组成

一般指令由两部分组成：

• 操作码
   通常包含两部分内容：操作类型（加、减…）和操作数描述（数据类型以及数据字长）
• 地址码
   包含三部分内容：地址（间址、立即数…）、地址附加信息（偏移量、块长度…）和寻址方式（直接寻址、间接寻址…）

操作码（OPC）	地址码（A）

指令格式的优化设计

指令格式的优化的主要目的是：

• 节省程序的存储空间
• 指令格式尽量规整

前面介绍了指令包含两部分内容，我们的指令格式优化设计可以从这两部分内容入手。

1. 操作码的优化表示

操作码有三种编码方式：

• 固定长度
  • 优点：规整，译码简单
  • 缺点：浪费信息量
• Huffman编码
  • 优点：减少了冗余量
  • 缺点：操作码长度不规整，硬件译码困难；与地址码共同形成固定长度的指令比较困难。
• 扩展编码

1.1 Huffman编码

可以看这篇文章：霍夫曼编码（Huffman Coding）
形成操作码编码并不是唯一的，但是操作码的平均长度是唯一的

1.2 扩展编码法

是Huffman编码和固定字长编码法的结合

2. 地址码的优化表示

地址码个数选择可以是三个、两个、一个以及零个，地址码个数直接、决定性地影响计算机系统

评价地址码个数应该取多少的标准主要有两个：

1. 程序的存储容量，包括操作码和地址码
2. 程序的执行速度，以程序执行过程中访问主存的信息量代表

各种不同地址数指令的特点以及适用场合

地址数目	指令长度	程序存储量	程序执行速度	适用场合
三地址	短	最大	一般	向量，矩阵运算为主
二地址	一般	很大	很低	一般不宜采用
一地址	较长	较大	较快	连续运算，硬件结构简单
零地址	最长	最小	最低	嵌套，递归，变量较多
二地址R型	一般	最小	最快	多累加器，数据传送较多

想要用一个短的地址码表示一个大的逻辑地址，所以缩短地址码长度，方法有：

• 用间址寻址方式缩短地址码长度
• 用变址寻址方法缩短地址码长度
• 用寄存器间接寻址方式缩短地址码长度

指令系统的功能设计

1. 基本指令系统

通用计算机系统有五种基本指令：

1. 数据传送类指令
    由三个主要因素决定：数据存储设备的种类（寄存器、主存…）、数据单位（字、字节、块…）和采用的寻址方式
2. 运算类指令
    四个因数的组合：操作种类（加、减…）、数据表示（定点、浮点…）、数据长度（字、双字…）和数据存储设备（寄存器、主存…）
3. 程序控制类指令
    包含三类：转移指令、调用和返回指令、循环控制指令
4. 输入输出指令
5. 处理机控制和调试指令

2. 指令系统的性能

1. 完整性：是指应该具备基本指令类型
2. 规整性：规则性包括对称性和均匀性
3. 高效率：指令的执行速度要快
4. 兼容性：在同一系列机内指令系统不变

3. 指令系统的优化设计

有两种截然相反的方向：

1. 复杂指令系统计算机CISC：增强指令的功能，设置功能复杂的指令
2. 精简指令系统计算机RISC：简化指令功能，只保留功能简单的指令