計算機組成原理第四章數(shù)據(jù)表示和指令系統(tǒng)[losy].ppt

1、第四章 數(shù)據(jù)表示和指令系統(tǒng),數(shù)據(jù)類型和表示 指令系統(tǒng)設(shè)計原理和優(yōu)化 RISC計算機,本章要點,浮點數(shù)據(jù)表示IEEE標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用 自定義數(shù)據(jù)表示定義、分類及優(yōu)點 哈夫曼概念及在計算機中應(yīng)用，操作碼編碼法 指令系統(tǒng)編碼方法，指令系統(tǒng)設(shè)計原則 兩種指令系統(tǒng)風(fēng)格，特點（RISC、CISC） 簡述RISC的主要技術(shù),4.1 引言,（1）考慮計算機面向的應(yīng)用領(lǐng)域，程序設(shè)計語言，編譯程序，操作系統(tǒng)直到硬件構(gòu)成等諸多因素。 （2）如何繼承軟件資產(chǎn)，保證軟件向后兼容和向上兼容也是要加以考慮的現(xiàn)實問題。,指令系統(tǒng)：又稱指令集（instruction set）是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，是計算機軟、硬件接口,是用機器

2、語言匯編語言編寫程序的用戶所能看到的計算機基本屬性。,411 傳統(tǒng)計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù),總之要對執(zhí)行性能，軟、硬件開發(fā)費用，可靠性等各種因素間的矛盾，綜合權(quán)衡考慮。設(shè)計一種新的指令系統(tǒng)，從提出指令系統(tǒng)的編碼到實現(xiàn)這種指令系統(tǒng)的硬件要經(jīng)過幾次反復(fù)。,（1）根據(jù)計算機未來用途及通常機器指令集擬出初步指令系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)， （2）編出這套指令系統(tǒng)設(shè)計的編譯程序， （3）進行模擬測試，研究這套指令操作碼，尋址方式及其他效能， （4）進行指令系統(tǒng)的優(yōu)化。 （5）如此反復(fù)進行，要充分考慮計算機應(yīng)用和對各類高級語言執(zhí)行效率，并對大量算法進行測試，使機器效能最高。,計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)基本過程：,現(xiàn)代計

3、算機指令系統(tǒng)設(shè)計必須由編譯程序設(shè)計人員同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員共同配合進行傳統(tǒng)計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計。,完備性：要求計算機的所有功能操作都包含在指令系統(tǒng)中，指令系統(tǒng)愈豐富，功能愈強，編譯程序愈好寫好用，運用范圍愈廣。,指令系統(tǒng)設(shè)計規(guī)則：,規(guī)整性，均勻性：要使相似的操作具有相同的規(guī)定，所有操作都均勻?qū)ΨQ地在存儲器和寄存器單元間進行，盡可能甚至不出現(xiàn)例外情況和特殊用法。,正交性：編譯程序設(shè)計人員希望數(shù)據(jù)類型、尋址方式、操作類型都互相獨立，這樣便于處理，也減輕編譯負擔(dān)。,可組合性對稱性：指令系統(tǒng)對所有的尋址方式和所有數(shù)據(jù)類型都能適用，減化編譯程序的代碼生成。,從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員角度出發(fā)，指令系統(tǒng)還應(yīng)考慮到：

4、 兼容性：指令系統(tǒng)設(shè)計多次反復(fù)，注意簡單周到，還應(yīng)注意系列機中軟件兼容性 可擴性：保留一定余量的操作碼空間，為以后擴展用，并適應(yīng)工藝技術(shù)的新發(fā)展。 指令碼高密度性：對于那些頻度高的指令串可以進行優(yōu)化，設(shè)計新指令代替，提高指令碼密度，減少存儲容量和訪問存儲器次數(shù)，以提高效率。,4.1.2 指令系統(tǒng)發(fā)展的兩種途徑CISC,RISC,(一)復(fù)雜指令集計算機（CISC）,(二)精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC） 通過減少指令總數(shù)和簡化指令的功能來降低硬件設(shè)計的復(fù)雜程度，提高指令執(zhí)行速度，使指令簡單，有效可行。,指令系統(tǒng)龐大,硬件復(fù)雜、龐大,執(zhí)行速度低,編譯程序復(fù)雜、長,部分指令使用效率低,PENTIUM處

5、理器： RISC特征：某些指令以硬連線來實現(xiàn)，并能在一個時鐘周期執(zhí)行完； CISC特征：用微代碼實現(xiàn)，需要2-3個時鐘周期的執(zhí)行時間，有多種尋址方式，多種指令長度，為數(shù)不多的通用寄存器。,4.2 數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示 4.2.1 數(shù)據(jù)類型,計算機中常用數(shù)據(jù)有三類：,用戶定義的數(shù)據(jù) 系統(tǒng)數(shù)據(jù) 指令數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)類型：指一組數(shù)據(jù)值的集合，還定義了可作用于這個集合上的操作集。 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看有基本數(shù)據(jù)類型，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型，抽象數(shù)據(jù)類型和訪問指針。,4.2.2 基本數(shù)據(jù)表示,數(shù)據(jù)表示：指在計算機中能由硬件直接辯認(rèn),指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的組織方式，它反應(yīng)了應(yīng)用中各種數(shù)據(jù)元或信息元

6、間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。它必須通過軟件映象，變換成機器中所具有的（存儲于一維存儲器內(nèi)）各種數(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)的。,數(shù)據(jù)表示實質(zhì)上是一個軟、硬件取舍的問題。,4.2.4 二進制定點，浮點， 數(shù)據(jù)表示,IEEE754 浮點數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)：,32位浮點單精度數(shù)據(jù)形式：,4.2.5 自定義數(shù)據(jù)表示,為了縮短機器語言同高級語言對數(shù)據(jù)屬性的說明之間的語義差距。,目的：,自定義數(shù)據(jù)表示：由數(shù)據(jù)本身來表明數(shù)據(jù)類型，使計算機內(nèi)的數(shù)據(jù)具有自定義能力。,分類： 帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)描述符,帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示：描述簡單數(shù)據(jù)，標(biāo)志符是和每個數(shù)據(jù)值相連，存在同一存貯單元內(nèi)。,數(shù)據(jù)標(biāo)志位,數(shù)據(jù)值,優(yōu)點：（1）簡化了指令系統(tǒng)。 （2）容

7、易檢出程序編制中的錯誤。 （3）簡化了編譯程序。 （4）支持?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng) 。 （5）簡化程序設(shè)計。 （6）便于軟件測試。,缺點： 每個字都增加了標(biāo)志位，使字長增長。 但另一方面：縮短了目的程序長度。 操作碼總數(shù)減少導(dǎo)致操 作碼位數(shù)減少。 降低指令的執(zhí)行速度。 但：編制時間、調(diào)試時間減少，編制時間+調(diào)試時間+執(zhí)行時間減少。 與其他計算機的兼容性差，硬件復(fù)雜。,數(shù)據(jù)描述符：用來描述復(fù)雜和多維數(shù)據(jù)，如向量、數(shù)組、記錄等，描述符專用來描述所要訪問數(shù)據(jù)的特性，它和數(shù)據(jù)字分開存儲，機器經(jīng)描述符形成訪問每個元素的地址及其他信息，增加一級以上尋址，（描述符或數(shù)據(jù)字）而數(shù)據(jù)字本身又是帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示。,與帶標(biāo)志符

8、數(shù)據(jù)表示不同之處：,標(biāo)志符要與每個數(shù)據(jù)相連，兩者合存在一個存儲器單元中；而描述符則和數(shù)據(jù)分開放； 要訪問數(shù)據(jù)集中的元素時，必須先訪問描述符，這就至少要增加一級尋址； 描述符可看成是程序一部分，而不是數(shù)據(jù)一部分，因為它是專門來描述要訪問的數(shù)據(jù)的特性。,現(xiàn)以B6500，7500為例進行自定義數(shù)據(jù)表示的說明,數(shù)據(jù),000,數(shù)值,描述符,101,P,C,I,S,R,T,D,長度,地址,3,1,1,1,1,20,2,20,1,1,數(shù)據(jù)描述符,0：單精度數(shù)據(jù),1：雙精度數(shù)據(jù),1：不連續(xù)數(shù)據(jù),0：連續(xù)數(shù)據(jù),1：數(shù)據(jù)集中的一個,0：數(shù)據(jù)集的全體,1：在主存中,0：不在主存中,只準(zhǔn)讀出的數(shù)據(jù),00：數(shù)據(jù)描述符,

9、寫其他描述符,用數(shù)據(jù)描述符描述一個3*4二維陣列：,三元素向量,四元素向量,塊內(nèi)的元素個數(shù),四元素向量,四元素向量,描述符讀取操作數(shù)過程,操作碼,X,Y,101,101,101,地址形成邏輯,000,000,101,指令,寄存器描述符,描述符,主存儲器,（數(shù)據(jù)）,（數(shù)據(jù)）,CDCSTAR-100計算機對每一個 向量數(shù)據(jù)用基地址，長度和位移量三個參量表示，其中對于指令，操作向量的起始地址=基址+位移量，操作向量有效長度=向量長度-位移量,其中X，Y，Z各區(qū)段表示寄存器號，分別表示源向量A，B和結(jié)果向量的位移量，而A，B，C各區(qū)段分別存放源向量A，B和結(jié)果向量C的基地址及長度。,4.2.6 向量數(shù)

10、據(jù)表示,向量：指具有n個數(shù)據(jù)的數(shù)組。 特點：各個數(shù)據(jù)稱為數(shù)組的元素，而每個數(shù)據(jù)應(yīng)具有相同的數(shù)據(jù)類型，(如實數(shù)或邏輯數(shù))；相同的數(shù)據(jù)表示（如字長、字的格式相同）；進行相同的操作；而各數(shù)據(jù)之間是獨立無關(guān)的，這樣的一個數(shù)組稱為向量。,基地址,向量長度,向量數(shù)據(jù)表示的參數(shù),起始地址,（基地址十位移量）,向量有效長度,位移量,.,.,.,.,.,.,.,.,A0,A1,A2,A3,A4,A5,A6,A7,稀疏向量的壓縮表示,4.3 指令系統(tǒng)設(shè)計原理,指令系統(tǒng)中指令編碼方法： 1. 正交法 指令中的每個分段（包括操作碼、操作數(shù)地址等） 相互獨立，操作數(shù)地址的編碼同操作碼無關(guān)，反之亦然 。 優(yōu)點：對流水機特

11、別適用，微程序控制數(shù)量減少。,2. 整體法 指令中各個分段在譯碼時相互有關(guān)，操作碼同操作數(shù) 地址的分界線并不清楚。 優(yōu)點：可以把使用頻度高的操作碼同操作數(shù)地址碼組合起來，加以縮短優(yōu)化，而使用頻度低的可以較長些,這樣可以節(jié)省存貯容量。 缺點：在用微程序控制時，微程序數(shù)量較多，需要有較大的微程序控制存貯器。,3. 混合法 這種方法把上兩種方法的優(yōu)點結(jié)合起來。,（二）指令系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的分類,指令系統(tǒng)也可以按下面幾個準(zhǔn)則分類： 1. 每條指令中顯式指明的操作數(shù)個數(shù) 2. CPU中存放操作數(shù)部件的類型 3. 數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示 4. ALU指令的操作數(shù)個數(shù)和位置,基本思想：計算機系統(tǒng)中的一些基本操作（包括

12、操作系統(tǒng)和高級語言的操作）應(yīng)由硬件實現(xiàn)還是由軟件實現(xiàn)；某些復(fù)雜操作是由一條指令實現(xiàn)還是由一串指令實現(xiàn)。,堆棧機,主要操作：是壓入和彈出，主要是以后進先出的方式。 優(yōu)點：面向堆棧，指令短，表達式求值簡單；可以有較高的 編碼密度。 缺點：不能隨機訪問和編譯技術(shù)不匹配，很難高速執(zhí)行：這 類機器的例子Burroughs 5500，HP3000。,主要依據(jù)：在CPU中以何種存儲方式來存放操作數(shù)。,指令系統(tǒng)集結(jié)構(gòu)的分類,分類： 堆棧型 累加器型 通用寄存器型,R-R R-M M-M,累加器為基礎(chǔ)的指令系統(tǒng),累加器型機器是有一個隱含操作數(shù)的機器，指令能夠直接裝卸或存儲的累加器中。操作時取一個操作數(shù)，另一個操

13、作數(shù)取自累加器，結(jié)果放回到累加器 累加器類的基本優(yōu)缺點與堆棧機相同。這類機器的例子是PDP-8。,寄存器為基礎(chǔ)的指令系統(tǒng)（GPR機）：,優(yōu)點： （1）由于數(shù)據(jù)在寄存器中，減少了對存儲器的存取，速度更快一些。 （2）數(shù)值表示有很強的適應(yīng)性。 缺點：指令格式必須包含寄存器指針空間。 GPR機類型：有三類GPR機，它們是寄存器-寄存器型機和寄存器-存儲器型機。還有存儲器-存儲器型機,三種不同的指令系統(tǒng)集結(jié)構(gòu),典型計算機中ALU指令所使用的訪存操作數(shù)的個數(shù),4.3.2 尋址技術(shù),一.訪問方式 按地址訪問: 串行順序訪問，按指定 地址讀取代碼（地址可是通用寄存器，專用寄存器，內(nèi)存） 地址概念：邏輯地址，

14、物理地址 地址編址方式采用三種：統(tǒng)一編址，局部編址，隱含編址 具體可按面向?qū)ο蠛蛯ぶ贩绞絹韰^(qū)分 按內(nèi)容訪問： 給出欲訪問單元內(nèi)容，其主要特點是以并行方式查找所需信息內(nèi)容。（聯(lián)想存儲器）,尋址技術(shù)：指的是指令按什么方式尋找（或訪問）到所需的操作數(shù)或信息。它影響主存規(guī)模速度及存取方式。尋址方式對應(yīng)用程序員是透明的。,二 程序定位方式,直接定位方式 直接使用實際貯存物理地址來編寫或編譯程序，目前大多不用這種方式。 靜態(tài)定位方式 專門用裝入程序來完成，一旦裝入主存就不能再變動了，這種方式實現(xiàn)簡單，但不夠靈活，主存利用率不高，多個用戶不能共享主存。 動態(tài)定位方式 利用類似變址尋址方法，有硬件支持完成。只

15、把主存的起始地址裝入該程序?qū)?yīng)的基址寄存器中，指令的地址不需全部修改。 優(yōu)點：主存利用率高，多個用戶可以共享同一個程序段，支持虛擬存儲器實現(xiàn)。 缺點：需要硬件支持，實現(xiàn)的算法比較復(fù)雜。,4.3.3 指令系統(tǒng)功能設(shè)計,設(shè)計指令時，要考慮三個因素：速度，價格，靈活性 通用計算機指令分為五類： 數(shù)據(jù)傳送類指令 運算類指令 程序控制類指令 輸入輸出指令 處理機控制和調(diào)試指令,4.3.4 指令格式的優(yōu)化,哈夫曼壓縮的基本思想： 當(dāng)各種事件發(fā)生的概率不均時，采用優(yōu)化技術(shù)對發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)（時間）來表示（處理），而對出現(xiàn)概率較低的，用較長的位數(shù)（時間）來表示（處理），就會導(dǎo)致表示（處理）的平均

16、位數(shù)（時間）的縮短。,指令的優(yōu)化通過操作碼優(yōu)化和地址碼優(yōu)化進行。,指令格式優(yōu)化的目的： 如何用最短的位數(shù)表示指令的操作信息和地址信息，用最短的時間處理頻度高的指令，使二者之間有最佳配合以減少指令字中冗余信息以及用最少信息位來表示所需的操作信息和地址信息。,用哈夫曼壓縮概念進行編碼的步驟：,（1） 將要編碼的字符按出現(xiàn)頻率的次序排列，頻率相等的符號可任意排列； （2） 把出現(xiàn)頻率最小的兩個符號合并，并將其頻率相加，按相加后的頻率次序重新排序； （3） 繼續(xù)過程（2），直至只剩下兩個頻率，此后以相反過程進行編碼； （4） 對最后兩個頻率分別指定代碼0和1； （5） 若某一頻率由兩個頻率相加而成，則

17、分別指定這兩個頻的下一個代碼為0或1； （6） 繼續(xù)過程（5），直到所有符號均已指定不同代碼為止。,現(xiàn)設(shè)一臺模型機，共有7種不同的指令，使用頻度如表所示。若用定長操作碼表示，則需要3位。,操作碼表示的平均長度 L= li*Pi Li：第i個操作碼的長度,H=-Pilog2Pi=0.40*1.32+0.30*1.74+0.15*2.74+0.05*4.32+0.04 *4.64+0.03*5.06+0.03*5.06=2.17,則信息冗余量K=1-H/操作碼的實際平均長度=1-2.17/3=0.28 (即28%),操作碼的信息源熵：信息源所包含的平均最短信息量. H=-Pilog2Pi, 其中P

18、i為第i個信息源的頻度,Pili=0.40*1+0.30*2+0.15*3+0.05*5+0.04*5+0.03*5+0.03*5 =2.20(位) 這種編碼的信息冗余為K=1-2.17/2.201.36%,1.00,0.60,0.30,0.15,0.06,0.09,0.03,0.03,0.04,0.05,0.15,0.30,0.40,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0,為減少此信息冗余量，改用哈夫曼樹:,I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1,操作碼的擴展（等長擴展）,15/15/15,8/64/512編碼法,指令格式的優(yōu)化,地址碼表示和尋址方式采取相應(yīng)優(yōu)化措施，程序所需總位數(shù)

19、才得以減少。由于操作數(shù)地址是隨機的無規(guī)律可循，歸結(jié)為指令格式的優(yōu)化。,地址碼優(yōu)化時應(yīng)注意的問題： （1）操作數(shù)地址碼長度可在很寬的范圍內(nèi)變化，只要恰當(dāng)安排就可與變長操作碼很好合成定長指令。這樣地址碼寬度應(yīng)隨不同指令，其寬度可以變化； （2） 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、雙地址甚至三地址都可以在指令中使用； （3）設(shè)法利用空白處存放立即操作數(shù)或常數(shù)。 （4）豐富多彩的尋址方式。,VAX-11指令格式和尋址方式,2到6個附加 的操作數(shù)描 述碼和它們 的擴充字節(jié),1到8個字節(jié),VAX-11基本指令格式,寄存器,尋址方式,尋址方式,寄存器,0,0,直接量,7,4,3,0,7,5

20、,0,指明12種尋址方式之一，但不包括直接量方式,指明16個寄存器,6位直接量,VAX-1操作數(shù)描述碼格式,6,a. 立即方式 b. 絕對方式 c. 寄存器直接方式 d. 寄存器間接尋址方式 e. 自增尋址方式 f. 自減尋址方式 g. 變址尋址方式,VAX-11的主要尋址方式,i.變址的位移尋址方式,j.自增變址尋址方式,k.自減變址尋址方式,l. 基址尋址方式,m. 基址變址尋址方式,h. 位移尋址方式,4.3.5 指令系統(tǒng)的執(zhí)行和優(yōu)化,面向目標(biāo)程序優(yōu)化實現(xiàn) 面向操作系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn) 面向高級語言優(yōu)化實現(xiàn),（一） 指令的控制和執(zhí)行 計算機的控制過程：取指令、分析指令（譯碼、取操作數(shù)），執(zhí)行指令

21、，再取下一條指令的周而復(fù)始過程。 程序的執(zhí)行過程：順序執(zhí)行、轉(zhuǎn)移（條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移）和進程的調(diào)用和返回。,（二）指令系統(tǒng)的優(yōu)化和改進,由計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)看，指令系統(tǒng)應(yīng)對于各層的工作 給于有力的支持，這樣計算機效率才能更高。,面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實現(xiàn)來改進,靜態(tài)使用頻度：對程序中出現(xiàn)的各種指令以及指令串進行統(tǒng)計得出的百分比。 動態(tài)使用頻度：在目標(biāo)程序執(zhí)行過程中對出現(xiàn)的各種指令和指令串進行統(tǒng)計得出的百分比。,基本思路：對于那些頻度高的常用指令，可以考慮增強其功能，加快其執(zhí)行速度，縮短其指令字長；而對于那些使用頻度很低的指令就可以考慮將其取消，或?qū)⑵涔δ芎喜⒌侥承╊l度較高的指令中去。,優(yōu)化傳送

22、類指令：如成組傳送指令、自增循環(huán)（LDIR） 自減循環(huán)（LDDR）等 優(yōu)化轉(zhuǎn)移類指令：如屏蔽碼（IBM370），多種轉(zhuǎn)移指令等 優(yōu)化運算類 指令：如多項式運算指令 POLY,Z80微型計算機的自增循環(huán)指令LDIR長度為2個字節(jié)，時鐘周期 傳送一個數(shù)椐為5個或4個周期（當(dāng)BC計數(shù)值為0時）因此，當(dāng)傳 送100個數(shù)時，需499個周期。如沒有該條指令，則需如下指令串,： 字節(jié) 周期 LOOP： LD A （HL）； 1 2 LD （DE） A； 1 2 INC HL ； 1 1 INC DE ； 1 1 DEC BC； 1 1 JP NZ LOOP 2 2,該指令串統(tǒng)計完成當(dāng)傳送100個數(shù)時，需89

23、9個周期。,POLY指令完成 P(X)=C(0)+X*(C(1)+X*(C(2)+X*C(d).)運算,OP arg degree tbladdr,優(yōu)化運算類指令： OP 操作碼 arg 變量值 degree 多項式的階 tbladdr 系數(shù)表地址,目標(biāo)：盡可能縮短高級語言和機器語言的語義差距，以利于支持高級語言編譯系統(tǒng)，縮短編譯程序的長度和編譯所需的時間。,面向高級語言和編譯程序改進指令系統(tǒng),對使用頻度高語句采取增加相應(yīng)功能指令提高編譯速度和執(zhí)行速度 增強系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，正交性，可組合性，統(tǒng)一性和全面性等 直接執(zhí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（DEA）能直接執(zhí)行高級語言源碼，不需要經(jīng)過中間翻譯。,設(shè)置特權(quán)指令

24、支持操作系統(tǒng)可靠運行 增加支持工作狀態(tài)和訪問方式轉(zhuǎn)換指令，如VAX-11操作系統(tǒng)分四層，每層有不同訪問特權(quán)，利用CHMX指令增加訪問權(quán)和 RET返回指令改變訪問方式，減少轉(zhuǎn)換開銷：內(nèi)核方式（K）、執(zhí)行方式（E）、管理方式（S） 、用戶方式（V） 支持進程轉(zhuǎn)換指令如VAX-11設(shè)保存進程關(guān)聯(lián)指令 SVPCTX ，恢復(fù)進程關(guān)聯(lián)指令LDPCTX 設(shè)置用來支持進程同步和互斥的指令 設(shè)置中斷系統(tǒng)指令,指令對操作系統(tǒng)的支持,目標(biāo)：如何縮短操作系統(tǒng)與計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的語義差距，以利于進一步減少運行操作系統(tǒng)所需要的輔助操作時間和節(jié)省操作系統(tǒng)軟件所占用的存儲空間。,4.4 RISC計算機,（一）RISC設(shè)計思

25、想的起源 20%-80%定律 系統(tǒng)設(shè)計中硬件和軟件之間折衷 VLSI工藝技術(shù)發(fā)展,4.4.1 RISC計算機的設(shè)計原理,（二）RISC結(jié)構(gòu)設(shè)計原則 （1）選擇使用頻度高的指令，增加少量支持操作系統(tǒng)和高級語言實現(xiàn)及其他功能的有用指令，尋址方式也取最基本的一、兩種，使指令條數(shù)少，格式簡單，并具有相同長度。 （2）提高處理速度，采用流水技術(shù)使每一條指令都在一個機器周期內(nèi)完成。大部分指令操作在寄存器之間進行，采用硬件邏輯控制實現(xiàn)操作，只有少量使用微程序?qū)崿F(xiàn)。 （3）簡化編譯工作，一個周期完成一條指令操作，編譯器 易于調(diào)整指令流。,美國卡內(nèi)基梅?。–anegic Mellon）大學(xué)定義,(1) 指令系統(tǒng)

26、中的大多數(shù)指令只需執(zhí)行簡單和基本功能，其執(zhí)行過程是在單個機器周期期內(nèi)完成。 (2)只保留LOAD指令和STORE指令。面向運算的操作都經(jīng)過LOAD指令和STORE指令，從內(nèi)存儲器預(yù)先放在寄存器堆內(nèi)，加快執(zhí)行速度。 (3)芯片邏輯不采用或少采用微碼技術(shù)，而硬布線邏輯，減少指令解釋的開銷。 (4)減少指令數(shù)和尋址方式，使控制部件簡化，加快執(zhí)行速度。 (5) 指令格式固定，指令譯碼簡化。 (6) 編譯開銷很大，應(yīng)盡可能優(yōu)化。,（三）RISC主要特征,指令格式簡單化規(guī)整化（寄存器-寄存器型） 基本是單調(diào)周期操作（指令功能和執(zhí)行周期權(quán)和選擇） 分開的存取指令數(shù)據(jù)，引入多級Cache 面向寄存器堆的結(jié)構(gòu)

27、充分提高流水線效率（用各種技術(shù)減少相關(guān)阻塞） 采用硬邏輯控制方式（少數(shù)采用微程序設(shè)計） 采用優(yōu)化編譯技術(shù)，很好支持高級語言,（四） RISC的CPI討論,Tcpu=IN*CPI*Tc 其中Tc:表示時鐘周期。IN:表示CPU執(zhí)行某一程序中所包含的指令總數(shù)。CPI:表示執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。,可以看出RISC結(jié)構(gòu)的Tcpu值遠比CISC結(jié)構(gòu)小，RISC是通過減少CPI值，簡化結(jié)構(gòu)來減少Tcpu,而CISC是通過減少IN值來減少Tcpu的。,（五） RISC體系結(jié)構(gòu),1.數(shù)據(jù)類型 (1) 字長32位發(fā)展到64位 (2) 整形數(shù)據(jù)：包括無符號和有符號字節(jié)，半字，全字?jǐn)?shù)據(jù) (3) 浮點數(shù)據(jù)

28、：支持ANSI/IEEE浮點數(shù)據(jù)類型，也就是單精度，雙精度符點數(shù) (4) 除以上基本數(shù)據(jù)類型外，為支持不同應(yīng)用往往支持一些附加數(shù)據(jù)類型，如 i860支持8位，16位與32位像素以提供高性能圖像處理,（一）RISC的體系結(jié)構(gòu),2.尋址方式 RISC 體系結(jié)構(gòu)一般支持最常用的簡單尋址方式，以優(yōu)化程序密集度與速度，常用的有： 立即尋址方式 寄存器直接尋址方式 寄存器間接尋址方式 相對尋址方式 變址尋址方式 位移量方式,3.寄存器模型和寄存器管理 現(xiàn) 現(xiàn)在的RISC差不多都采用寄存器體系結(jié)構(gòu)，理由是寄存器比存儲器快，代碼生成有通用性，編譯程序更容易有效的使用寄存器。大量的（不少于32個）CPU寄存器的

29、好處是： （1） 減少CPU與存儲器之間的傳送而加快操作 （2） 在CPU內(nèi)支持過程參數(shù)傳遞 （3） 在CPU內(nèi)支持多任務(wù)上下文轉(zhuǎn)換和中斷處理 RRISC中寄存器管理方式由三類模型：窗口（Windows）模型、Cache模型、矩陣模型,4. 存儲器管理 首(1) 虛擬地址空間的大小。現(xiàn)在的32位RISC目前都取滿4G字節(jié)。 其(2) 其次是頁面大小，頁面大小和主存容量及系統(tǒng)應(yīng)用程序大小有關(guān)系，i860與SPARC都支持4K字節(jié)的頁面大小。 第(3) 映射大小是由操作系統(tǒng)內(nèi)核所隱藏的，具有64個頁的典型TLB實現(xiàn)只能映射64*4K字節(jié)。,RISC都是二級或三級存儲層次，即在貯存和CPU之間加一級

30、或二級高速緩沖存儲器（ Cache）。,(二) 指令系統(tǒng),RISC指令條數(shù)很少，格式簡單，規(guī)整，基本上都在一個周期完成； 指令規(guī)整化要求RISC的指令基本上是一個字節(jié)，而且指令中的操作碼字段與操作數(shù)字段最好是正交并具有統(tǒng)一規(guī)格，這有利于流水線執(zhí)行，還可以提高譯碼操作效率，使譯碼控制邏輯電路簡化； RISC有利于支持高級語言，使用邏輯控制，不再使用微代碼，體現(xiàn)了用硬件取代軟件。RISC強調(diào)優(yōu)化編譯技術(shù)，不僅是生成代碼，而且要優(yōu)化代碼。 對于指令系統(tǒng)的具體選擇，可以通過對現(xiàn)有體系結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)測試和動態(tài)測試，即在程序運行時計算指令出現(xiàn)次數(shù)來進行。,4.4.3 RISC的主要技術(shù),（一）流水線結(jié)構(gòu)和指令調(diào)度 RISC主要特點之一是充分提高流水線效率,流水線執(zhí)行和相關(guān)性,（二）寄存器窗口,芯片上有大量通用寄存器，在執(zhí)行程序時可以存放更多的操作數(shù)或公用參數(shù)，采用寄存器窗口技術(shù)還可以更好支持過程的調(diào)用和返回，提高機器工作效率。,寄存器窗口技術(shù)：就是把整個寄存器組分成很多小組，每個過程分配一個寄存器小組，當(dāng)發(fā)生過程調(diào)用時，自動地把CPU轉(zhuǎn)換到不同的寄存器小組使用，不再需要作保存和恢復(fù)的操作，這個寄存器小組就叫做寄存器窗口，相鄰的寄存器窗口間有部分是重疊的，便于調(diào)用參數(shù)傳送。,RISC有八個寄存器窗口，代表八個過程，重疊窗口之間構(gòu)成類似環(huán)形緩沖器，窗口之間轉(zhuǎn)換時通過改變硬件指針內(nèi)容實現(xiàn)