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　 第四章　指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和風(fēng)格

　　本章屬重點(diǎn)章。指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)外特性的重要內(nèi)容，本章主要介紹了兩種不同風(fēng)格的指令系統(tǒng)：RISC和CISC.在學(xué)習(xí)這兩種指令系統(tǒng)之前，我們先了解一下什么是指令系統(tǒng)。

　　一、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（領(lǐng)會(huì)）

　　指令系統(tǒng)是指機(jī)器所具有的全部指令的集合。它反映了計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能。它是機(jī)器語(yǔ)言程序員所看到的機(jī)器的主要屬性之一。

　　通常我們說(shuō)的加法指令、傳輸數(shù)據(jù)指令等等就是計(jì)算機(jī)的指令，這些指令就是告訴計(jì)算機(jī)從事某一特殊運(yùn)算的代碼，一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)確定的這些指令的集合我們就說(shuō)它是這種機(jī)器的指令系統(tǒng)。

　　那么指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要做什么？ 就是要確定它的指令格式（就是指令有多少位長(zhǎng)，哪幾位表示地址，哪幾位表示操作等）、類型（如堆棧型、寄存器型等分類）、操作（比如運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送啊什么的都是指令中要確定的操作）以及操作數(shù)的訪問(wèn)方式（一個(gè)指令要訪問(wèn)數(shù)據(jù)，是按其地址訪問(wèn)還是按內(nèi)容訪問(wèn)等也要由指令設(shè)計(jì)來(lái)解決）。

　　我們知道，由多條指令構(gòu)成的程序是要以二進(jìn)制的形式放到存儲(chǔ)器中的，早期的存儲(chǔ)器很昂貴，因此導(dǎo)致指令設(shè)計(jì)者盡量增強(qiáng)一條指令的復(fù)雜性以減少程序的長(zhǎng)度。還用微程序（就是保存在專用的存儲(chǔ)器中的一小段程序，運(yùn)行時(shí)只要用一條指令來(lái)啟動(dòng)它就可用來(lái)代替好多條指令） 來(lái)改進(jìn)代碼密度。這樣的設(shè)計(jì)傾向形成了一種傳統(tǒng)的指令設(shè)計(jì)風(fēng)格，即認(rèn)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的提高主要依靠增加指令復(fù)雜性及其功能來(lái)獲取。這就是稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）的設(shè)計(jì)風(fēng)格。我們現(xiàn)在用的PC機(jī)多是用這種設(shè)計(jì)風(fēng)格的指令系統(tǒng)，比如MMX多媒體擴(kuò)展指令等，都是增加進(jìn)去的指令，是復(fù)雜指令。

　　后來(lái)，通過(guò)測(cè)試，這種不斷增加指令復(fù)雜度的辦法并不能使系統(tǒng)性能得到很大提高，反倒使指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更困難和費(fèi)時(shí)。所以在70年代中期又出現(xiàn)了另一種稱為"簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)（RISC）"的設(shè)計(jì)風(fēng)格。它的基本思想是，簡(jiǎn)單的指令能執(zhí)行得更快以及指令系統(tǒng)只需由使且頻率高的指令組成。（插話）

　　指令系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意的是如何能使編譯系統(tǒng)高效、簡(jiǎn)易地將源程序翻譯成目標(biāo)代碼。這就是指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則。為了達(dá)到這個(gè)目的，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：正交性、規(guī)整性、可擴(kuò)充性、對(duì)稱性。（請(qǐng)對(duì)照課本加以理解）

　　二、指令系統(tǒng)集結(jié)構(gòu)的分類（識(shí)記）

　　前面我們知道了指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要確定它的指令格式、類型、操作及對(duì)操作數(shù)的訪問(wèn)方式。現(xiàn)在就提到了分類：

　　一般地，指令系統(tǒng)集結(jié)構(gòu)分類主要是依據(jù)在CPU中以何種存儲(chǔ)方式來(lái)存放操作數(shù)。

　　我們知到，CPU在進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算時(shí)，總是要先把數(shù)據(jù)取到某種寄存器中才能開(kāi)始。而這寄存器的類型有堆棧型、累加器型和通用寄存器型三種。相應(yīng)地，使用哪種存儲(chǔ)方式來(lái)存放操作數(shù)的，就把指令系統(tǒng)集結(jié)構(gòu)分成堆棧型、累加器型和通用寄存器型三類。它們是有區(qū)別的，堆棧型結(jié)構(gòu)中，操作數(shù)總是被默認(rèn)存放在棧頂，累加器結(jié)構(gòu)中，操作數(shù)總是被默認(rèn)存放在累加器中；而在通用寄存器中，所有的操作數(shù)都必須被說(shuō)明是存放在哪一個(gè)寄存器或存儲(chǔ)器的哪個(gè)單元中。

　　所有的計(jì)算機(jī)都可按上述分類標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸類。但有的機(jī)器可能是某些類型的混合，如intel的8086處理器便是通用寄存器結(jié)構(gòu)和累加器結(jié)構(gòu)的混合。

　　三種類型的比較：

　　其中通用寄存器指令系統(tǒng)又可進(jìn)一步分為：寄存器-寄存器、寄存器-存儲(chǔ)器以及存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器三類。在RISC機(jī)中，只可能存在寄存器-寄存器類型。（寄存器是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)小容量數(shù)據(jù)的裝置，尤指數(shù)據(jù)可以同時(shí)存儲(chǔ)和運(yùn)算的裝置）請(qǐng)注意它們的優(yōu)缺點(diǎn)，第一種是具有最好的指令密度，但是訪存速度慢。第三種方式則簡(jiǎn)單，但程序代碼較長(zhǎng)。第二種取中。

　　三、操作數(shù)訪問(wèn)（尋址）方式（識(shí)記）

　　指令中對(duì)操作數(shù)的訪問(wèn)方式，按訪問(wèn)手段可分為兩大類：常用的是按地址訪問(wèn)，另一類是按內(nèi)容訪問(wèn)方式。

　　計(jì)算機(jī)中的兩個(gè)地址概念一個(gè)是邏輯地址、一個(gè)是物理地址，前者為虛，后者是實(shí)，一般所討論的尋址方式是指邏輯地址的尋址方式。

　　地址的編址，通常有三種不同方式：（1）按各種部件分類編址；（2）統(tǒng)一編址；（3）隱式編址

　　對(duì)存儲(chǔ)器這一存儲(chǔ)部位編址（領(lǐng)會(huì)），絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)將字節(jié)作為最小訪問(wèn)單位（注意，1字節(jié)=8