Molaters station

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指令系统主要内容

存取方式

Push / Pop 堆栈

Load / Store 累加器（1个操作数）

Load / Store 寄存器或者存储器（2/3操作数）

通用寄存器型结构

R-R R-M M-M

寻址方式

为了保证访问速度现在的计算机一般都是按整数边界存储信息。

指令系统设计的基本原则

完整性规整性正交性高效率和兼容性

正交性

编码的时候互不相关互相独立

定义：指令是无条件改变控制流的时候称之为跳转指令，控制指令是有条件改变控制流的时候称之为分支指令。

指令操作码的优化

指的是用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息

哈夫曼树设计思想

选用哪种编码取决于使用频率的分析

当代计算机：RISC 使用定长操作码

沿CISC方向发展和改进指令系统

面向目标程序增强指令性能
1. 增强运算行指令的功能
2. 增强数据传送指令的功能
3. 增强程序控制指令的功能
面向高级语言的优化实现来改进指令系统
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. 进程的同步和互斥，信号灯的处理等

沿RISC方向发展和改进指令系统

💡 CISC 出现的问题

指令的使用频度存在悬殊
指令系统庞大，指令条数太多，指令的功能太复杂
1. 占用芯片面积，增加制造成本
2. 增加研制时间和成本，还容易造成设计错误
许多指令因为操作繁杂，使得CPI比较大
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

RISC 机器的设计

指令条数少，指令功能简单
采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式
功能部件流水化，指令的执行能够在单周期完成
采用load-store 结构，只有这两个指令可以方寸
大多数指令都采用硬件逻辑来实现
优化编译器，为高级语言生成高效的代码
充分利用流水技术来提高性能

操作数的类型和大小

表示操作数类型的方法

指定操作数的类型
给数据加上标识

MIPS指令系统结构

寄存器

32个54位寄存器：R0 ~ R31 其中保持R0 = 0

32个单精度浮点寄存器：F1 ~ F31 存储32位单精度浮点数和64位双精度浮点数

MIPS数据表示

整数：字节半字字

浮点数：单精度浮点数双精度浮点数

字节或者半字装入的时候使用零扩展的方式来进行

MIPS寻址方式

只提供：立即数寻址和偏移量寻址

间接寻址：当偏移量为0的时候就是寄存器间接寻址

绝对寻址：当使用R0作为基址的时候就是16位绝对寻址

👿👿 MIPS指令格式

三种指令格式

I类指令

包括 load store 寄存器-立即数型ALU指令分支指令的转移目标地址寄存器跳转并链接的转移目标地址

R类指令

R类型指令包括寄存器-寄存器型的ALU指令专用寄存器读/写指令 move 指令等

func 为具体的运算操作编码

J类指令

这类指令包括跳转指令/跳转并链接指令/自陷指令/异常返回指令。

跳转类型是两个

MIPS浮点操作

用后缀S标识操作数是单精度浮点数，D标识是双精度浮点数

例如 MOVD MOVS

某机的指令字长为 16 位,设有单地址指令和两地址指令。若每个地址字段均为6 位，且两地址指令有 A 条，问单地址指令最多可以有多少条?

单地址段的设计：由于地址字段为6位，所以功能字段为10位，不考虑两个地址指令，那么单地址指令就有$2^{16-6} = 2 ^{10}$ 条。
两地址段的设计：由于此时只能用四位来作为功能码，由于有A条的两地址指令，所以单地址指令就有：$2^{10} - A \times 2 ^6$ 条。

某处理机的指令系统要求有三地址指令 4 条、单地址指令 255 条、零地址指令16 条。设指令字长为 12 位,每个地址码长度为 3 位。问能否用扩展编码为其操作码编码?如果要求单地址指令为 254 条能否对其操作码扩展编码? 说明理由。

但地址指令是255条，采用扩展编码的话操作码位数就是8位，地址码使用3位，指令字长是12位所以就剩下1位来标识其他类型的操作码，能表示零地址的指令只能表示2条，三地址的指令0条。