微处理器指令集设计垂直指令格式指令类型及其使用

第三讲微处理器指令集设计微处理器指令集设计垂直指令格式指令类型及其使用频率CISC指令集特性RISC指令集特性指令集设计的发展微处理器指令集设计的基本要求处理器设计的艺术就是定义一个指令集在软件方面，支持对程序员有用的功能在硬件实现方面，的实现要尽可能有效率具有较长的生命周期，最好是这个指令集还应使之后更复杂的实现也有同样的效率正交指令格式假如构造一条指令的每一种选择都独立于其他的选择，这么指令集就是正交的正交指令格式■4地址指令基本指令格式可用如图2-1所示的二补码格式表关于同志近两年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表复印pdf用图表说话pdf示。在这些格式中，每条指令须要4n+f位。其中每位操作数须要n位，指定操作码须要f位。正交指令格式■3地址指令降低每条指令所需位数的首要方式快件客服问题件处理详尽方式估算方式pdf估算方式pdf山木方式pdf华与华方式下载是把下一条指令的地址变为蕴涵的（除非是转移指令，其作用就是明晰地更改指令的次序）。若假设下一条指令的默认地址可以由指令的大小加上PC值得到，则指令变为3地址格式。这些指令的二补码表示如图2-2所示：正交指令格式■2地址指令若目的与一个源操作数共用一个寄存器，则可以进一步节约储存一条指令所需的位数。这些指令的二补码表示压缩为如图2-3所示：正交指令格式■1地址指令倘若目的寄存器是蕴涵的，则一般称之为累加器。指令只须要指定一个操作数cpu 指令集，即ADDs1；:=十s1这些指令的二补码表示则进一步简化为如图2-4所示正交指令格式■0地址指令最后，可以采用求值堆栈式（）的体系结构，进而使全部操作数为蕴涵的。ADD；：=十这些指令的二补码表示如图2—5所示。正交指令格式■寻址模式当数据处理或数据传送指令访问操作数时，有几种标准excel标准误差excel标准误差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载的方式用于指定所需数据的位置。多数处理器支持这种轮询模式中的几种（然而甚少会支持所有模式）。正

交指令格式■寻址模式[1]立刻轮询：指令中给出所需的数值（二补码方式）。[2]绝对轮询：指令中包含所需数据在储存器中的全部地址（二补码）。[3]间接轮询：指令中包含一个储存器位置的二补码地址。在该位置存有所需数据的二补码地址。正交指令格式■寻址模式[4]寄存器轮询：所需数据在一个寄存器中，指令包含这个寄存器的编号。[5]寄存器间接轮询：指令中包含寄存器的编号，而该寄存器的内容是数据在储存器中的地址。[6]基址偏斜轮询：指令指定寄存器（基址）和二补码偏斜量。偏斜量和基址相乘得到储存器地址。正交指令格式■寻址模式[7]基址变址轮询：指令指定基址寄存器和另外一个寄存器（变址）。变址和基址相乘得到储存器地址。[8]基址比列变址轮询：类似前一种方法，但变址在与基址相乘之前要减去一个常数（一般为数据顶的厚度，一般是2的幂）。正交指令格式■寻址模式[9]堆栈轮询：—个蕴涵或指定的寄存器（堆栈表针）指向储存器中某处（堆栈），数据项之后进先出的原则写入（压入）或读出（弹出）正交指令格式■寻址模式对这种轮询模式，不同的处理器厂商采用的名称可能有所不同。轮询模式几乎可以无限地扩展。诸如，降低更多的间接层次，降低基址变址加偏斜等。以上所列出的模式囊括了大多数一般使用的轮询模式。指令类型一个通用的指令集应包括以下几类指令：（1）数据处理指令。诸如加、减和乘；（2）数据传送指令。这类指令把数据从储存器甲一个地方复制到另一个地方，或则从储存器复制到处理器的寄存器等；（3）流控制指令。这类指令把程序的执行从一部份切换到另一部份。切换有可能取决于数据的值；（4）控制处理器执行状态的特殊指令。诸如，切换到特权模式以执行操作系统功能；指令类型（5）有时一条指令属于一个以上的类别。诸如，“减1，假若非0则转移”这条在控制程序循环时是很有用的指令，它既对循环变量进行个别数据处理，又完成流控制

功能；与此类似，从储存器某地址读取操作数并把结果送到寄存器的数据处理指令，可以看作是进行数据传送功能。指令使用频率有一个普遍的误会，就是觉得计算机耗费时间在进行估算，也就是说，它在对用户的数据进行算术操作。实际上，它只用极少的时间进行这个意义上的“计算”。虽然它进行相当数目的算术运算，而且，这种运算多数须要主存，便于找到相关数据与程序的位置。找到用户的数据后，多数的工作是把它们移来移去，而不是进行转换意义上的处理。指令使用频率在指令集的级别上，可以检测各个不同指令的使用频度。重要的是获得动态检测值，就是检测被执行的指令的频度，而不是由各种型二补码指令的计数得到的静态频度。一个典型的统计如表2_1所列。该统计是通过在ARM指令仿真器上运行复印预览程序来提取的，对其他程序和指令集也有广泛的典型意义。指令使用频率指令使用频率这种取样统计表明，应给以优化的最重要的指令是与数据联通相关的指令，无论是在处理器寄存器与储存器之间的联通，还是从寄存器到寄存器的联通。这种指令几乎抢占了被执行指令的一半。使用频度第二高的指令是控制流指令。诸如，转移和进程调用，它们抢占1/4。算术指令低至15%单职业传奇，比较指令与之相像。CISC指令集特性■软件设计的要求程序员通常都希望以尽可能具象的万式抒发他的程序，使用的中级语言应支持这些适宜于解决问题快件公司问题件快件公司问题件款项处理关于圆的边长面积重点题型关于解等式组的题及答案关于南海问题的所要使用概念的处理万式。当前的趋势是功能的和面向对象的语言，与先前的命令式语言（比如C语言）相比，这些语言的具象级别更高。虽然是原先的语言，离一般的机器指令也早已相当远了。CISC指令集特性■软件设计的要求中级语言结构和机器指令之间在语义学上的空隙由编译器来链接。编译器是（一般是复杂的）计算机程序，它把中级语言程序翻译成一系列机器指令。为此，处理器的设计者所定义的指令集，应是一个好的编译对象，而不是那个让程序员直接拿来手工解决问题的东西。CI

SC指令集特性■软件设计的要求1980年曾经，指令集设计的主要趋势是降低复杂度，以减少必须由编译器搭接的语义学空隙。在指令集中加入单指令过程的步入和退出，一条指令在多个时钟周期内完成一个复杂的操作序列。处理器的卖点是其轮询模式和数据类型等的方法和数目。CISC指令集特性■硬件设计的要求这些趋势的起因是20世纪70年代发展上去的大型计算机。这种计算机的寻址储器速率相对较慢，与其相连的处理器是由好多简单的集成电路搭接成的。处理器由比寻址储器速率快的微编码ROM（只读储存器）控制。为此，将常常使用的操作以微码序列实现，而不使用须要从寻址储器读取几条指令的万式是十分有意义的。操作以微码序列实现，而不使用须要从寻址储器读取几条指令的万式是十分有意义的。CISC指令集特性■硬件设计的要求这个方式形成了20世纪70年代晚期的单片复杂指令集计算机（，CISC）。这是带有大型计算机指令集的微处理器。而这个指令集又是以有限的可用硅资源为代价的。CISC指令集特性■硬件设计的要求这个方式形成了20世纪70年代晚期的单片复杂指令集计算机（，CISC）。这是带有大型计算机指令集的微处理器。而这个指令集又是以有限的可用硅资源为代价的。CISC指令集特性■硬件设计的要求设计师们最多从大型计算机工业取得看法，而大型计算机的实现技术是十分不同的。非常是全部复杂解释器所须要的微编码ROM抢占了过多的芯片面积，给其他能提高性能的部件没有留下多少空间。CISC指令集特性■硬件设计的要求贯串整个20世纪70年代，微处理器的性能不断提升。这种单片处理器依赖先进的半导体技术促使在单个芯片上集成尽可能多的晶体管，所以，它的发展是发生在半导体行业，而不是在计算机行业。结果，微处理器的设计

缺少在结构级上独创的思想，非常是其实现技术的需求。RISC革命■针对硬件设计的体系结构优化技术精简指令集计算机(，RISC)诞生在指令集日渐复杂的时侯。RISC与编译技术的互相补充《RISC与后编译技术》RISC革命■针对硬件设计的体系结构优化技术1980年，和完成了一篇题为“精简指令集计算机概述”的论文。在这篇开创性的论文中，她们详尽说明了这样的观点，即单片处理器的优化结构毋须像多芯片处理器的优化结构一样。此后一个处理器设计项目取得的结果支持了她们的论据。这个项目是伯克利一个研究生班承当的cpu 指令集，她们联合研究精简指令集计算机（RISC）体系结构。这项设计，即伯克利RISCI，比当时商业CISC处理器简单得多，开发中投入的设计力量也少一个数目级，但却达到了相像的性能。RISC革命■针对硬件设计的体系结构优化技术苹果的“麦金塔”计算机对Intel的冲击嵌入式系统的蓬勃发展RISC体系结构特征■针对硬件设计的体系结构优化技术固定的（32位）指令宽度，指令类型甚少。CISC处理器指令集的宽度通常可变，指令类型也好多；Load-Store结构，数据处理指令只访问寄存器，与访问储存器的指令是分开的。而CISC处理器通常准许将储存器中的数据作为数据处理指令的操作数；RISC体系结构特征■针对硬件设计的体系结构优化技术固定的（32位）指令宽度，指令类型甚少。CISC处理器指令集的宽度通常可变，指令类型也好多；Load-Store结构，数据处理指令只访问寄存器，与访问储存器的指令是分开的。而CISC处理器通常准许将储存器中的数据作为数据处理指令的操作数；由32个32位寄存器构成大的寄存器堆，具中所有的寄存器都可以用于任何用途，以使Load-Store结构有效地

工作。其实CISC寄存器集也加强了，并且没有那么大，但是大部是不同的寄存器用于不同的用途。RISC硬件组织特征■针对硬件设计的体系结构优化技术硬连线的指令混频逻辑。而CISC处理器使用大的微码ROM进行指令混频；流水线执行。而CISC处理器虽然有，也只容许在连续指令间有很少的重叠（虽然它们如今容许）；单周期执行。而CISC处理器执行一条指令通常须要多个时钟周期。RISC的优点（1）流水线单周期执行的设计和实现流水线是在处理器中实现并行操作的最简单方式，精简指令集极大地简化了流水线的设计。RISC的优点（1）流水线单周期执行的设计和实现流水线是在处理器中实现并行操作的最简单方式，精简指令集极大地简化了流水线的设计。RISC的优点（2）高时钟频度RISC的优点（2）高时钟频度RISC的优点（3）管芯面积小简单的处理器须要的晶体管少，须要的晶圆面积也小。为此，整个CPU工艺技术发展的较早阶段即可容纳在一个芯片内。一旦技术发展超过这一阶段，能够省下更多的面积用于实现可以提升性能的功能部件，比如高速缓存、存储器管理和浮点硬件等。RISC的优点（4）开发时间短简单的处理器会占用较少的设计力量，因此设计费用低。它就会更好地与投放市场时的工艺技术相适应（由于开发周期越短，越容易在开发时预测工艺技术的发展）。RISC的优点（5）性能高从1980年以来，所有新的通用处理器体系结构都或多或少地采用了RISC的概念。RISC的缺点RISC处理器在性能竞争中明显胜出，并且具有设计成本低的特性。而且，随着时间的推移，RISC的缺点开始显露下来。（1）与CISC相比，一般RISC的代码密度低。（2）RISC不能执行x86代码。指令集设计的发展CISC和RISC的融合可配置处理器设计超长指令字VLIW(ord)体系结构

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