CA-操作类型和大小

[[../../计算机体系结构课程总括|计算机体系结构课程总括]]

操作类型和大小

确定操作数表示实际上也是软硬件取舍折中的问题

操作数类型

整数：二进制的补码表示；大小可以是字节，半字和单字

十进制：压缩十进制，二进制编码十进制，压缩十进制数据表示用四位编码数字0~9，然后将两个十进制数字压缩在一个字节中

存储。

操作数类型的表示主要有如下的两种方法：

• 操作数的类型可以以操作码的编码指定，这也是最常见的一种方法
• 数据可以附上由硬件解释的标记（tag）,由这些标记指定操作数的类型，从而选择适当的运算。然而有标记数据的机器非常少见

操作数的表示是所有类型的子集，是一种折衷。

操作数的大小

指令系统设计的基本原则

指令系统的设计

• 首先考虑应该事先的基本功能，确定哪些功能应该用硬件实现，哪些功能用软件实现
• 包括
  • 指令的功能设计
  • 指令格式的设计

指令系统设计的基本原则

指令系统的设计

在确定这些基础功能之后要考虑三个因素：速度、成本、灵活性

硬件实现的特点：速度快成本高灵活性差

软件实现的特点：速度慢价格便宜灵活性高

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，在编制计算程序时，指令系统所提供的指令足够使用。完整性要求指令系统功能全、使用方便。

规整性

规整性主要包括对称性和均匀性。

• 对称性：对称性是指所有与指令系统相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。

• 均匀性：指对于各种不同的操作数类型、字长和数据存储单元，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 5x4x2=40 种同一操作的指令(如加法指令)**。不过，这样做太复杂，也不太现实。所以一般是实现有限的规整性。例如，把上述加法指令的种类减少到 10 种以内。

其他性质

• 正交性：是指在指令中各个不同含义的字段，如操作数类型、数据类型、寻址方式字段等，在编码时应互不相关、相互独立。高效率是指指令的执行速度快、使用频度高。在 RISC 结构中，大多数指令都能在一个节拍内完成(流水)，而且只设置使用频度高的指令。
• 高效率：求指令的向后兼容。
• 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。

在设计系统时，有两种截然不同的设计策略，因而产生了两类不同的计算机系统，CISC 和 RISC。CISC 是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，指令的数量也是越来越多。RISC 是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

控制指令

能够改变控制流的指令有4种:分支 (branch)、跳转(jump)、过程调用 (call)和过程返回(return)。

条件分支

条件分支的分支条件表示：

分支条件表示	优点	缺点
条件码：在程序的控制下，由ALU的操作设置特殊的位	可以设置自由设置分支条件	必须从一条指令将分支条件信息传送到分支指令，所以CC是额外状态，条件码限制了执行顺序。
条件寄存器：比较指令把比较结果放进任何一个寄存器，检测的时候就检测这个寄存器	简单	占用了一个寄存器。
比较分支：受到一定限制	一条指令完成两条指令的功能	分支指令的操作增多。

小于或者等于分支占主导地位。

因为大多数时候写的是

for(int i=0 ; i<length;i++);

所以才会导致$\leq$的数目增多

分支地址转移目标的表示：采用4~8位的偏移量字段（以指令字为单位）就能表

示大多数控制指令的转移目标地址

过程调用和返回的状态保存

“调用者保存”方法 vs “被调用者保存”方法

调用者保存不知道需要用到什么寄存器，而被调用者知道使用什么寄存器来保存断点。

所以被调用者保存是更加普遍的方法

指令操作码的优化

1. 等长扩展码

不是说只有一种方法，按照扩展标识的不同，还有其他的许多种扩展方法。

👩🏻‍🏫扩展操作码必须遵守短码不能是长码的前缀的规则。扩展操作码的编码不唯一，平均码也不唯一。

2. 定长操作码

固定长度的操作码:所有指令的操作码都是同一个长度。

保证操作码的译码速度、减少译码的复杂度。

按照程序的存储空间为代价去换取硬件上的简单实现