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1、1122.1 指令集结构的分类2.1.1 指令集结构分类根据根据五个因素五个因素对计算机指令集结构进行分类：对计算机指令集结构进行分类：(1)(1)在在CPUCPU中操作数的存储方法中操作数的存储方法(2)(2)指令中显式表示的操作数个数指令中显式表示的操作数个数 (3)(3)操作数的寻址方式操作数的寻址方式 (4)(4)指令集所提供的操作类型指令集所提供的操作类型 (5)(5)操作数的类型和大小操作数的类型和大小 第二章 计算机指令集结构设计2121.CPU中用来存储操作数的存储单元主要有：2.指令中的操作数可以显式给出，也可以隐式地给出。3.CPU对操作数的不同存取方式 l堆栈堆栈l累加器
2、累加器l一组寄存器一组寄存器 CPUCPU中操作数的存储方法，中操作数的存储方法，是各种指令集结构是各种指令集结构之间最主要的区别所在。之间最主要的区别所在。2.1指令集结构的分类312CPU对操作数的不同存取方式 CPU提供的暂存器每条ALU指令显式表示的操作数个数运算结果的目的地访问显式操作数的过程堆栈堆栈0 0堆栈堆栈Push/PopPush/Pop累加器累加器1 1累加器累加器Load/StoreLoad/Store累加器累加器一组寄存器一组寄存器2/32/3寄存器或存寄存器或存储器储器Load/StoreLoad/Store寄存器寄存器或存储器或存储器412 4.根据CPU内部存储单
3、元类型进行分类，可以分为l 堆栈型指令集结构堆栈型指令集结构l 累加器型指令集结构累加器型指令集结构l 通用寄存器型指令集结构通用寄存器型指令集结构 例例 C=A+B C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法。假设实现方法。假设A A、B B、C C均是保存在存储器单元中，均是保存在存储器单元中，且且A A和和B B的值在运算过程中一直被保持。的值在运算过程中一直被保持。2.1指令集结构的分类512C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法 堆栈累加器寄存器(寄存器存储器)寄存器（寄存器寄存器）PUSHALOADALOADR1,ALOADR1,
4、APUSHBADDBADDR1,BLOADR2,BADDStoreCStoreC,R1AddR3,R1,R2POPCStoreC,R3612三种类型指令集结构的优缺点指令集结构类型优 点缺 点堆栈型堆栈型 是是一一种种表表示示计计算算的的简单模型；指令短小。简单模型；指令短小。堆堆栈栈不不能能被被随随机机访访问问，从从而而很很难难生生成成有有效效代代码码。同同时时，由由于于堆堆栈栈是是瓶瓶颈颈，所以很难被高效地实现。所以很难被高效地实现。累加器型累加器型 减减小小了了机机器器的的内内部部状态；指令短小。状态；指令短小。由由于于累累加加器器是是唯唯一一的的暂暂存存器器，这这种种机器的存储器通信开
5、销最大。机器的存储器通信开销最大。寄存器型寄存器型 是是代代码码生生成成最最一一般般的模型。的模型。所所有有操操作作数数均均需需命命名名，且且显显式式表表示示，因而指令比较长。因而指令比较长。7122.1.2 通用寄存器型指令集结构的分类1.通用寄存器型指令集结构的主要优点 使编译器有效地使用寄存器。使编译器有效地使用寄存器。(1)(1)在表达式求值方面，比其它类型指令集结构在表达式求值方面，比其它类型指令集结构 具有更大的灵活性具有更大的灵活性;(2)(2)寄存器可以用来存放变量。寄存器可以用来存放变量。减少存储器的通信量，加快程序的执行速度。减少存储器的通信量，加快程序的执行速度。（因为寄
6、存器比存储器快）（因为寄存器比存储器快）可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可可以用更少的地址位来寻址寄存器，从而可 以有效改进程序的目标代码大小。以有效改进程序的目标代码大小。2.1指令集结构的分类8123.两种主要的指令特性能够将通用寄存器指令集结构 （GPR）进一步细分 (1)ALU(1)ALU指令到底有两个或是三个操作数？指令到底有两个或是三个操作数？有三个操作数的指令：两个源操作数有三个操作数的指令：两个源操作数 一个结果操作数一个结果操作数2.CPU需要设置多少个寄存器呢？主要由编译器使用寄存器的情况来决定。主要由编译器使用寄存器的情况来决定。l 为表达式求值保留一些寄存器为表达式
7、求值保留一些寄存器l 为传递参数保留一些寄存器为传递参数保留一些寄存器l 用剩下的寄存器来保存变量用剩下的寄存器来保存变量2.1指令集结构的分类912 有两个操作数的指令：一个操作数既作为源操有两个操作数的指令：一个操作数既作为源操 作数，也作为目的操作数。作数，也作为目的操作数。(2)(2)在在ALUALU指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻 址，也即有多少个存储器操作数？址，也即有多少个存储器操作数？一般来说，一般来说，ALUALU指令有指令有0 03 3个存储器操作数。个存储器操作数。2.1指令集结构的分类1012ALU指令中，存储器操作数个数和操
8、作数个数的 所有可能组合，以及相应的机器实例 ALU指令中存储器操作数个数ALU指令中操作数的最大个数机器实例02IBMRT-PC3SPARC，MIPS12PDP-10，IBM 360，Motorola680003IBM360的部分指令的部分指令22PDP11，部分部分IBM360指令指令333VAX1112(3)(3)通用寄存器指令集结构进一步细分为三种类型：通用寄存器指令集结构进一步细分为三种类型：(4)(4)常见的三种通用寄存器型指令集结构的常见的三种通用寄存器型指令集结构的优缺点优缺点 注：表中注：表中(m,n)(m,n)的含义是，的含义是，指令的指令的n n个操作个操作 数中有数中有
9、m m个存储器操作数。个存储器操作数。l 寄存器寄存器-寄存器型寄存器型（R-R:register-register)R-R:register-register)l 寄存器寄存器-存储器型存储器型（R-M:register-memoryR-M:register-memory）l 存储器存储器-存储器型存储器型（M-M:memory-memoryM-M:memory-memory）2.1指令集结构的分类指令集结构类型优优点点缺 点寄存器寄寄存器寄存器型存器型（0,3）简简单单，指指令令字字长长固固定定，是是一一种种简简单单的的代代码码生生成成模模型型，各各种种指指令令的的执执行行时时钟钟周周期期
10、数数相近。相近。和和指指令令中中含含有有对对存存储储器器操操作作数数访访问问的的结结构构相相比比，指指令令条条数数多多，因因而而其其目标代码较大。目标代码较大。寄寄存存器器存存储器型储器型（1,2）可可以以直直接接对对存存储储器器操操作作数数进进行行访访问问，容容易易对对指指令令进进行行编编码码，且且其目标代码较小。其目标代码较小。指指令令中中的的操操作作数数类类型型不不同同。在在一一条条指指令令中中同同时时对对一一个个寄寄存存器器操操作作数数和和存存储储器器操操作作数数进进行行编编码码，将将限限制制指指令令所所能能够够表表示示的的寄寄存存器器个个数数。由由于于指指令令的的操操作作数数可可以以存存储储在在不不同同类类型型的的存存储储器器单单元元，所所以以每每条条指指令令的的执行时钟周期数也不尽相同。执行时钟周期数也不尽相同。存储器存存储器存储器型储器型（3,3）是是一一种种最最紧紧密密的的编编码码方方式式，无无需需“浪浪费费”寄存器保存变量。寄存器保存变量。指指令令字字长长多多种种多多样样。每每条条指指令令的的执执行行时时钟钟周周期期数数也也大大不不一一样样，对对存存储储器器的的频频繁繁访访问问将将导导致致存存储储器器访访问问瓶颈问题。瓶颈问题。