[计算机体系结构]Week 4 Note

Instruction Set Design Tasks 指令集设计任务

• 分类指令集架构
• 内存寻址
• 指令集中的运算
• 操作数的类型和大小
• 编码指令集
• 优化指令集 Optimize

三个应用领域：

• 桌面计算
  1. 强调具有整数和浮点数据类型的程序的性能，而很少考虑处理器功耗的程序大小
  2. 整数/浮点程序
• 服务器
  1. 主要用于数据库，文件服务器和Web应用程序，以及一些时间 对许多用户共享应用程序。
  2. 对许多用户共享时间应用程序。
  3. FP性能不如整数/字符串重要。
• 嵌入式应用程序
  1. 重视成本和功耗，因此代码大小很重要，因为更少的内存既便宜又低功耗。
  2. 代码大小

1.指令集架构分类

//按CPU内部存储器的类型//

• 堆栈
  • 操作数隐式位于栈顶：B5000
  • 通过堆栈的PUSH、POP操作
• 累加器
  • 一个操作数隐含于累加器：PDP-8
  • 另一个操作数指明位置
• GPR（通用寄存器）架构
  • 仅具有显式操作数 -寄存器或内存位置-1975年-现在所有机器都使用通用寄存器
  • 数据存放于寄存器，ALU能进行更多的操作：寄存器、立即数、内存
  • 常用LS结构（Reg2Reg） ->Reg2Mem中访问存储器的不可预测性太大，访问地址的过程太漫长，大大削减对流水线操作效率。编码效率低。

2.Memory Addressing 内存寻址

64-bit system -> 64 byte = 1 word

内存可以视为具有地址的大型单维数组，内存地址是数组的索引。

• word：易于实现，不支持非数值计算；
• bit：可变长度计算，浪费地址空间；
• Byte：最流行，存在数据存储和对齐问题。“字节寻址”表示索引指向内存的一个字节。

Aligned address of byte, half-word, word, and double-word //对齐寻址

byte	XXXXXXXXXXX（隔1个）
half-word	XXXXXXXXXX 0（隔2个）
word	XXXXXXXXX 0 0（隔4个）
double-word	XXXXXXXX 0 0 0（隔8个）

现象：

• 立即数的寄存器模式占操作数引用的一半；
• 不包括PC相关的寻址模式，几乎只用于分支；
• 偏移包括所有偏移长度（8位，16位和32位）
• Most popular memory addressing modes are:（只需要支持这三种模式）
  Displacement42%
  Immediate33%
  Register indirect13%

Summary：

1. Support at least 3 addressing mode
   • Register indirect, displacement, immediate
   • Fig B.7, 75%~99%
2.  The size of the address for displacement mode to be at least 12-16 bits
   • FigB.8, 75%~99%
3. The size of the immediate field to be at least 8-16 bits
   • FigB.10, 50%~80%

4.指令集

指令运算符的类别：

1. 基本指令
   1. 算术和逻辑
   2. 数据传输
   3. 控制
2. 特别指令
   1. 浮点数（科学计算）
   2. 小数（商业）
   3. 串string
   4. 图形
3. 特权指令
   1. 虚拟内存管理说明
   2. 操作系统调用

5.指令长度

现在的指令集以固定长度指令为主，辅以可变长度指令。

MEMO:精简指令集 vs 复杂指令集

 

比较内容	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于200	一般小于100
指令格式	一般大于4	一般小于4
寻址方式	一般大于4	一般小于4
指令字长	不固定	等长
可访存指令	不加限制	只有LOAD/STORE指令
各种指令使用频率	相差很大	相差不大
各种指令执行时间	相差很大	绝大多数在一个周期内完成
优化编译实现	很难	较容易
程序源代码长度	较短	较长
控制器实现方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为硬布线控制
软件系统开发时间	较短	较长

存储器、CPU空间的需求、流水线的需求 ->精简指令集