CA-指令系统的发展和改进

# CISC指令集功能设计

1. 面向目标程序增强指令功能

• 对频率高的指令串，用一条新的指令来替代

• 既能减少目标程序的执行时间，又能有效缩短程序长度

• 改进方面：

  • 增强运算型指令的功能

  • 增强数据传送指令的功能

    • 比如说进行数组的搬运等

  • 增强程序控制指令的功能

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2. 面向高级语言的优化实现来改进指令系统（缩小高级语言和机器语言的语义差距）

• 高级语言与一般的机器语言的语义差距非常大，为高级语言程序的编译带来了一些问题

• ✅编译器本身比较复杂

• ✅编译生成的目标代码比较难达到很好的优化

  1. 对高级语言和编译器的支持。在高级语言中找一些常用的指令并做一些支持。

  2. 增强系统结构的规整性，减少系统结构中的各种例外情况。

“比较简单的系统结构+软件”

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3. 面向操作系统的优化实现改进指令系统

1. 处理机工作状态和访问方式的切换。

2. 进程的管理和切换。

3. 存储管理和信息保护

4. 进程的同步和排斥，信号灯的管理等

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CISC结构存在着的缺点

1. 指令出现的频率相差悬殊，很多指令的没办法用到

2. 指令系统大，指令条数很多，指令功能复杂

   • 占用大量芯片面积

   • 增加研制时间和成本，还会造成设计错误

3. 由于操作繁杂，CPI的值比较大

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RISC指令集功能设计原则

1. 指令条数少，指令功能简单。在确定指令系统时，只选取使用频度很高的指令，在此基础上补充一些最有用的指令(如支持操作系统和高级语言实现的指令)。

2. 采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式。指令字长都为 32 位或64 位。

3. 指令的执行在单周期内完成(采用流水线技术后)。

4. 采用 Load-Store 结构。即只有 Load 和 Store 指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行的。

5. 大多数指令都采用硬连线逻辑来实现。

6. 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码

7. 充分利用流水技术来提高性能。

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MIPS指令分析

介绍MIPS32的一个子集，就称为MIPS指令集

1. 32个32位的通用寄存器（GPRs）

   寄存器R0的内容恒为全0

2. 32个32位的浮点寄存器（FPRs）

   单精度浮点数标识和双精度浮点数表示

💬最重要的是指令格式

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指令格式

1. I类指令

op	rs1	rs2	Imm
6	5	5	16

Load / Store

寄存器-立即数ALU

分支指令

寄存器跳转 and 链接

2. R类指令

op	rs1	rs2	rd	Imm
6	5	5	5	11

寄存器-寄存器指令

3. J类指令

op	PC的偏移量
6	26

跳转指令

MIPS效能分析

指令格式、寻址方式、操作都很简单

$T_{CPU} = IC \times CPI \times T_{CLK}$

$\frac{T_{CPU-MIPS}}{T_{CPU-VAX}}=1.0~2.5 \times \frac{1}{4} * \frac{T_{CLK-MIPS}}{T_{CLK-VAX}}$

所以性能会更高

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[[CourseNotes/计算机体系结构/CA-第七讲 流水线技术]]