2022年10月自考02325计算机系统结构考前复习资料三

一、指令格式及其优化（简单应用）

指令一般由两部分组成：一部分是操作码，另一部分是操作地址码。当操作数地址为隐式时（如堆栈的操作，默认为栈顶），后一部分则不是必须的。根据指令地址码部分中显式指明的地址个数，则可形成零地址、单地址、二地址、三地址及四地址指令。

我们说的确定指令格式主要就是选择指令字中的操作码长度和地址数。指令字的长度有定长和变长两种。

我们着重要讨论的问题是指令格式的优化问题，优化就是以较少的格式，以尽可能短的码长来实现各种指令编码。

指令字包括操作码和地址码，所以对这两部分都采取优化措施。

1、操作码的优化。这要用到霍夫曼压缩的概念。霍夫曼压缩法是一种频率相关的编码方法，即出现频率高的字符编码短，频率低的字符编码长，这样可以缩短平均码长。我们要掌握的是用霍夫曼树实现霍夫曼编码。其方法很简单：

根据所给的各种指令使用频率，把它们从小到大依次排好作为叶结点（相同的频率可任取一个排在前），然后把最小的两个结点值（频率）相加，形成一个新结点，以这个结点的值与其他的叶结点值比较大小，仍旧取最小的两个结点值合并产生新结点，直到最终合并为一个根（通常这个值是1或100）。简单地记为：

从小到大排序，

最小两个合并，

重复上述过程，

只剩一个结束。

编码时，从根结点开始向下，凡左边分支都编为"1"，右边分支都编为"0"（也可取反），则从根结点到叶结点的一条路径上的编码组合就是该指令的霍夫曼编码。（请仔细观察图4.12中的霍夫曼树）注意，霍夫曼树不是唯一的（因为相同的频率可以任取一个在前，且编码时又可任取左1或左0），但所得的平均码长应是一样的。由于霍夫曼编码得到的码长很不规整，所以有时候要采用霍夫曼扩展编码，就是在霍夫曼码的基础上对码长加以限制（取几个确定的长度如2位、4位等），对编码作适当改变。

平均码长应该容易计算吧，这也是要用到的。

2、地址码的优化。上面我们学了操作码的优化，但是一条指令码还包括地址码。两者合理安排才能使指令格式得到优化。示意如下：

由于操作码优化后是变长的编码，如果整条指令是定长的，那么使地址码的宽度应随不同指令变化，以配合操作码形成定长指令；也可以通过改变指令字中的地址数和地址码的长度，以使单地址及多址都可以在一条指令中使用；如果操作码和地址码之外还有空余的码位，则设法用来存放立即操作数或常数。

当今的RISC机指令系统中，全都是用定字长指令格式。

二、两种不同的指令系统设计风格 CISC和RISC

这两种风格应作比较深入的领会，并要识记一些内容。

CISC（复杂指令集计算机）以VAX-11/780为代表，70年代后的各种微机如我们用的intel80x86均是这种风格的计算机。

CISC设计风格的主要特点是：

（1）指令系统复杂；费时（2）绝大多数指令需要多个机器周期方可执行完毕；自由主义（3）各种指令都可访问存储器；地方主义（4）采用微程序控制；小金库（5）有专用寄存器；低效率（6）难以用优化编译器生成高效的目标代码程序。 复杂

这哪里是特点，分明是一大堆缺点嘛，RISC机的特点就是把它们"取反"，凡是 CISC是这样的，它就不是这样的：

（1）简化指令系统；省时（2）除了LOAD/STORE指令外，所有指令都在一个时钟周期内执行完毕；集体主义（3）除了LOAD/STORE指令外，其余指令只与寄存器打交道；搞活流通（4）绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现；查封小金库（5）使用较多的通用寄存器，一般至少有32个，绝没有专用寄存器；高效率（6）采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。 简化

RISC与CISC技术两者的主要区别在于设计思想上的差别，RISC的设计思想是；将那些不是最频繁使用的功能（指令）由软件来加以实现，这样就可以优化硬件，并可使其执行得更快。在第一章中我们学过计算机系统的设计的准则，第一个准则就是：只加速使用频率高的部件。RISC的设计思想与此完全吻合。

下面我们学习RISC技术中所采用的特殊方法：

1、采用较大量的寄存器，采用窗口重叠寄存器技术。

窗口重叠技术：在RISC结构中，为了减少过程调用中保存现场和建立新现场，以及返回时恢复现场等辅助操作，通常将所有寄存器分成若干个组，称为寄存器窗口。每组中有若干个寄存器，每当有过程调用时，就分配一个未被使用的寄存器窗口，这样就可减少保存和恢复现场的开销。此外在每个寄存器窗口中，又分成大小固定的高区、本地和低区三个区段。其中本地区用来存放局部变量，高区在被调用时用来保存调用过程送来的参数，而在返回主调用过程时，存放返回结果。而低区在调用时存放欲送往被调用过程的参数，而在被调用过程返回时用来存放返回结果。在使用时，每一对调用和被调用过程的寄存器窗口各自的低区和高区相互重叠。一旦发生过程调用或返回，在控制由一个窗口转换到另一窗口时，这些参数就通过两个窗口间的公共寄存器区自动的被传送而不需要再用额外的传送时间。 （可参照教材进行理解）。

2、采用优化延迟转移技术

优化延迟转移技术：即是使转移指令在准备将控制转向目标指令的同时，执行紧随在转移指令之后的那条指令，也就是是在将转移指令后延迟槽内的指令执行完毕后，才发生真正的转移（不论转移是否成功），这种优化技术可在保证程序正确执行的同时又可避免延迟转移中损失的一个机器周期时间。

3、采用比较转移指令

比较-转移指令：在RISC机中，把比较和转移（在CISC机中需用两条指令完成的功能）合并成一条指令。该指令将直接对两个对象（寄存器-寄存器或存储器-立即数）进行相等或不等比较，然后根据比较结果判别是否进行转移。这样就可省去一条指令，并不受条件码的约束。

4、采用优化编译技术

优化编译技术：在编译时就可发现可能出现的阻塞情况，由编译器通过重排指令执行序列来消除可能出现的阻塞情况，当无法消除时就填入相应的空操作，因此不需要硬件的互锁流水支持。

以上的特殊技术并中是每一种RISC机都采用的，在RISC机中有两个比较典型的代表，一个是加州大学伯克莱分校的RISC-I、II机的思路，侧重系统结构的支持，采用由大量寄存器组成的寄存器堆及窗口重叠技术。另一个是遵循斯坦福大学的MIPS机器思路，侧重采用编译的支持，采用优化编译技术，。

CISC和RISC两种设计风格的比较，其实就是说RISC优点，简单地说就是快、省、可靠、易实现、好优化。

关于RISC的两种代表机型的指令系统实例，要对照它们的指令系统中指令数、指令格式、寻址方式及采用的特殊技术来进行比较。