?2022年10月自考02325計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料三

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2022年10月自考02325計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料三

一、指令格式及其優(yōu)化（簡單應(yīng)用）

指令一般由兩部分組成：一部分是操作碼，另一部分是操作地址碼。當(dāng)操作數(shù)地址為隱式時（如堆棧的操作，默認為棧頂），后一部分則不是必須的。根據(jù)指令地址碼部分中顯式指明的地址個數(shù)，則可形成零地址、單地址、二地址、三地址及四地址指令。

我們說的確定指令格式主要就是選擇指令字中的操作碼長度和地址數(shù)。指令字的長度有定長和變長兩種。

我們著重要討論的問題是指令格式的優(yōu)化問題，優(yōu)化就是以較少的格式，以盡可能短的碼長來實現(xiàn)各種指令編碼。

指令字包括操作碼和地址碼，所以對這兩部分都采取優(yōu)化措施。

1、操作碼的優(yōu)化。這要用到霍夫曼壓縮的概念。霍夫曼壓縮法是一種頻率相關(guān)的編碼方法，即出現(xiàn)頻率高的字符編碼短，頻率低的字符編碼長，這樣可以縮短平均碼長。我們要掌握的是用霍夫曼樹實現(xiàn)霍夫曼編碼。其方法很簡單：

根據(jù)所給的各種指令使用頻率，把它們從小到大依次排好作為葉結(jié)點（相同的頻率可任取一個排在前），然后把最小的兩個結(jié)點值（頻率）相加，形成一個新結(jié)點，以這個結(jié)點的值與其他的葉結(jié)點值比較大小，仍舊取最小的兩個結(jié)點值合并產(chǎn)生新結(jié)點，直到最終合并為一個根（通常這個值是1或100）。簡單地記為：

從小到大排序，

最小兩個合并，

重復(fù)上述過程，

只剩一個結(jié)束。

編碼時，從根結(jié)點開始向下，凡左邊分支都編為"1"，右邊分支都編為"0"（也可取反），則從根結(jié)點到葉結(jié)點的一條路徑上的編碼組合就是該指令的霍夫曼編碼。（請仔細觀察圖4.12中的霍夫曼樹）注意，霍夫曼樹不是唯一的（因為相同的頻率可以任取一個在前，且編碼時又可任取左1或左0），但所得的平均碼長應(yīng)是一樣的。由于霍夫曼編碼得到的碼長很不規(guī)整，所以有時候要采用霍夫曼擴展編碼，就是在霍夫曼碼的基礎(chǔ)上對碼長加以限制（取幾個確定的長度如2位、4位等），對編碼作適當(dāng)改變。

平均碼長應(yīng)該容易計算吧，這也是要用到的。

2、地址碼的優(yōu)化。上面我們學(xué)了操作碼的優(yōu)化，但是一條指令碼還包括地址碼。兩者合理安排才能使指令格式得到優(yōu)化。示意如下：

由于操作碼優(yōu)化后是變長的編碼，如果整條指令是定長的，那么使地址碼的寬度應(yīng)隨不同指令變化，以配合操作碼形成定長指令；也可以通過改變指令字中的地址數(shù)和地址碼的長度，以使單地址及多址都可以在一條指令中使用；如果操作碼和地址碼之外還有空余的碼位，則設(shè)法用來存放立即操作數(shù)或常數(shù)。

當(dāng)今的RISC機指令系統(tǒng)中，全都是用定字長指令格式。

二、兩種不同的指令系統(tǒng)設(shè)計風(fēng)格 CISC和RISC

這兩種風(fēng)格應(yīng)作比較深入的領(lǐng)會，并要識記一些內(nèi)容。

CISC（復(fù)雜指令集計算機）以VAX-11/780為代表，70年代后的各種微機如我們用的intel80x86均是這種風(fēng)格的計算機。

CISC設(shè)計風(fēng)格的主要特點是：

（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜；費時（2）絕大多數(shù)指令需要多個機器周期方可執(zhí)行完畢；自由主義（3）各種指令都可訪問存儲器；地方主義（4）采用微程序控制；小金庫（5）有專用寄存器；低效率（6）難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標代碼程序。 復(fù)雜

這哪里是特點，分明是一大堆缺點嘛，RISC機的特點就是把它們"取反"，凡是 CISC是這樣的，它就不是這樣的：

（1）簡化指令系統(tǒng)；省時（2）除了LOAD/STORE指令外，所有指令都在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢；集體主義（3）除了LOAD/STORE指令外，其余指令只與寄存器打交道；搞活流通（4）絕大部分采用硬聯(lián)線控制，不用或少用微程序?qū)崿F(xiàn)；查封小金庫（5）使用較多的通用寄存器，一般至少有32個，絕沒有專用寄存器；高效率（6）采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標代碼程序。 簡化

RISC與CISC技術(shù)兩者的主要區(qū)別在于設(shè)計思想上的差別，RISC的設(shè)計思想是；將那些不是最頻繁使用的功能（指令）由軟件來加以實現(xiàn)，這樣就可以優(yōu)化硬件，并可使其執(zhí)行得更快。在第一章中我們學(xué)過計算機系統(tǒng)的設(shè)計的準則，第一個準則就是：只加速使用頻率高的部件。RISC的設(shè)計思想與此完全吻合。

下面我們學(xué)習(xí)RISC技術(shù)中所采用的特殊方法：

1、采用較大量的寄存器，采用窗口重疊寄存器技術(shù)。

窗口重疊技術(shù)：在RISC結(jié)構(gòu)中，為了減少過程調(diào)用中保存現(xiàn)場和建立新現(xiàn)場，以及返回時恢復(fù)現(xiàn)場等輔助操作，通常將所有寄存器分成若干個組，稱為寄存器窗口。每組中有若干個寄存器，每當(dāng)有過程調(diào)用時，就分配一個未被使用的寄存器窗口，這樣就可減少保存和恢復(fù)現(xiàn)場的開銷。此外在每個寄存器窗口中，又分成大小固定的高區(qū)、本地和低區(qū)三個區(qū)段。其中本地區(qū)用來存放局部變量，高區(qū)在被調(diào)用時用來保存調(diào)用過程送來的參數(shù)，而在返回主調(diào)用過程時，存放返回結(jié)果。而低區(qū)在調(diào)用時存放欲送往被調(diào)用過程的參數(shù)，而在被調(diào)用過程返回時用來存放返回結(jié)果。在使用時，每一對調(diào)用和被調(diào)用過程的寄存器窗口各自的低區(qū)和高區(qū)相互重疊。一旦發(fā)生過程調(diào)用或返回，在控制由一個窗口轉(zhuǎn)換到另一窗口時，這些參數(shù)就通過兩個窗口間的公共寄存器區(qū)自動的被傳送而不需要再用額外的傳送時間。 （可參照教材進行理解）。

2、采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)

優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)：即是使轉(zhuǎn)移指令在準備將控制轉(zhuǎn)向目標指令的同時，執(zhí)行緊隨在轉(zhuǎn)移指令之后的那條指令，也就是是在將轉(zhuǎn)移指令后延遲槽內(nèi)的指令執(zhí)行完畢后，才發(fā)生真正的轉(zhuǎn)移（不論轉(zhuǎn)移是否成功），這種優(yōu)化技術(shù)可在保證程序正確執(zhí)行的同時又可避免延遲轉(zhuǎn)移中損失的一個機器周期時間。

3、采用比較轉(zhuǎn)移指令

比較-轉(zhuǎn)移指令：在RISC機中，把比較和轉(zhuǎn)移（在CISC機中需用兩條指令完成的功能）合并成一條指令。該指令將直接對兩個對象（寄存器-寄存器或存儲器-立即數(shù)）進行相等或不等比較，然后根據(jù)比較結(jié)果判別是否進行轉(zhuǎn)移。這樣就可省去一條指令，并不受條件碼的約束。

4、采用優(yōu)化編譯技術(shù)

優(yōu)化編譯技術(shù)：在編譯時就可發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的阻塞情況，由編譯器通過重排指令執(zhí)行序列來消除可能出現(xiàn)的阻塞情況，當(dāng)無法消除時就填入相應(yīng)的空操作，因此不需要硬件的互鎖流水支持。

以上的特殊技術(shù)并中是每一種RISC機都采用的，在RISC機中有兩個比較典型的代表，一個是加州大學(xué)伯克萊分校的RISC-I、II機的思路，側(cè)重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持，采用由大量寄存器組成的寄存器堆及窗口重疊技術(shù)。另一個是遵循斯坦福大學(xué)的MIPS機器思路，側(cè)重采用編譯的支持，采用優(yōu)化編譯技術(shù)，。

CISC和RISC兩種設(shè)計風(fēng)格的比較，其實就是說RISC優(yōu)點，簡單地說就是快、省、可靠、易實現(xiàn)、好優(yōu)化。

關(guān)于RISC的兩種代表機型的指令系統(tǒng)實例，要對照它們的指令系統(tǒng)中指令數(shù)、指令格式、尋址方式及采用的特殊技術(shù)來進行比較。

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