1、 指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。 指令的组成指令的组成操作码操作码地址码地址码1) 指令的操作种类。指令的操作种类。2) 所用操作数数据所用操作数数据类型。类型。1) 操作数地址。操作数地址。2) 地址附加信息。地址附加信息。3) 寻址方式。寻址方式。1) 使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。2) 指令格式要规整，减少硬件译码的复杂程度。指令格式要
2、规整，减少硬件译码的复杂程度。1) 固定长度操作码。固定长度操作码。2) Huffman编码法。编码法。3) 扩展编码法。扩展编码法。固定长度操作码固定长度操作码采用等长操作码。采用等长操作码。 若指令系统共有若指令系统共有N种不同功能的指令，则指令系统中的种不同功能的指令，则指令系统中的所有指令的操作码长度固定为所有指令的操作码长度固定为lbN位。位。例：例：假设一台模型计算机共有假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，已知各种不同的操作码，已知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用固定长度编码种操作码在程序中出现的概率如下表，利用固定长度编码法进行操作码编码。法进行操作码编码。指令指令I
3、1概率概率0.45I20.30I30.15I40.05I50.03I60.01I70.01解：解：由于由于N=7 因此，指令操作码固定长度为因此，指令操作码固定长度为lbN=lb7=3指令序号指令序号概率概率编码编码操作码长度操作码长度I10.450003位位I20.300013位位I30.150103位位I40.050113位位I50.031003位位I60.011013位位I70.011103位位Huffman编码法（编码法（最小概率合并法最小概率合并法）Huffman压缩概念（最佳编码定理）：压缩概念（最佳编码定理）：当用n个长度不等的代码分别代表n种发生概率不等的事件时，按照短代码给高
4、概率事件、把长代码给低概率事件的原则分配，可使平均码长达到最低。 Huffman编码方法编码方法 这种编码方法由两个过程组成。频度合并：频度合并：将全部n个事件（在此即为n条指令）的频度值排序，选取其中最小的2个频度合并，然后将剩下的n-1个频度再次排序，再合并最小的2个频度，如此重复，直至剩下1个频度为止。记录所有的合并关系，形成一棵二叉树 Huffman树，所有原始频度值充当树叶，而最后剩下的总频度1为树根；码元分配：码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予一位代码“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指
5、令）的完整编码。由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压缩原则。 上面所说的上面所说的频度值频度值就是各事件实际出现次数的百分比，就是各事件实际出现次数的百分比，它是理论出现它是理论出现概率概率的近似值。的近似值。 例：例：假设一台模型计算机共有假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，已种不同的操作码，已知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用Huffman编码法进行操作码编码。编码法进行操作码编码。指令指令I1概率概率0.45I20.30I30.15I40.05I50.03I60.01I70.01Huffman树生成步
6、骤：树生成步骤：q 把所有指令按照操作码在程序中出现的概率，自左向右把所有指令按照操作码在程序中出现的概率，自左向右从排列好。从排列好。q 选取两个概率最小的结点合并成一个概率值是二者之和选取两个概率最小的结点合并成一个概率值是二者之和的新结点，并把这个新结点与其它还没有合并的结点一的新结点，并把这个新结点与其它还没有合并的结点一起形成新结点集合。起形成新结点集合。q 在新结点集合中选取两个概率最小的结点进行合并，如在新结点集合中选取两个概率最小的结点进行合并，如此继续进行下去，直至全部结点合并完毕。此继续进行下去，直至全部结点合并完毕。q 最后得到的根结点的概率值为最后得到的根结点的概率值为
7、1。q 每个结点都有两个分支，分别用一位代码每个结点都有两个分支，分别用一位代码“0” 和和“1”表表示。示。注意：注意： 对于同一个频度分布，应用哈夫曼算法可能生成不同的哈夫曼树，对于同一个频度分布，应用哈夫曼算法可能生成不同的哈夫曼树，因此，得到的哈夫曼编码并不唯一，但平均码长唯一。因此，得到的哈夫曼编码并不唯一，但平均码长唯一。0.450.300.150.050.030.010.011.000.550.250.100.050.02010101010101I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7Huffman编码树生成过程编码树生成过程指令序号指令序号概率概率Huffman编码法编码法操作
8、码长度操作码长度I10.4501位位I20.30102位位I30.151103位位I40.0511104位位I50.03111105位位I60.011111106位位I70.011111116位位根据信息论的基本知识，在n种可能发生的事件集合中，报告第i种事件发生的消息中包含的信息量为：iaiaiPPIlog)1(log 其中Pi是第i种事件发生的先验概率，a是编码基值。信息量的单位是表示位数（最少所需位数）。 这个定义式表明事件的发生概率越低，关于它的消息中的信息量越大。一个消息源对n种事件发布的消息的信息量平均值，记为：niiainiiiPPIPH11)(log)(各事件编码长度的数学期望
9、。各事件编码长度的数学期望。niiilPL1)(表明消息编码中表明消息编码中“无用成分无用成分”所占的百分比。所占的百分比。%100LHLR 从减少存储与传输量的角度看，编码方法的平均码长越短越从减少存储与传输量的角度看，编码方法的平均码长越短越好。但是平均码长不可能无限制缩短，它的下限就是熵（即好。但是平均码长不可能无限制缩短，它的下限就是熵（即R=0时）。如果短于熵就一定会丢失有用信息（即混淆不同指时）。如果短于熵就一定会丢失有用信息（即混淆不同指令），这是不允许的。令），这是不允许的。例：例：假设一台模型计算机共有假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，如果采用固种不同的操作码，如果采用
10、固定长操作码需要定长操作码需要3位。已知各种操作码在程序中出现的概率如位。已知各种操作码在程序中出现的概率如下表，计算采用下表，计算采用Huffman编码法的操作码平均长度，并计算固编码法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量。操作码的信息冗余量。解：解： Huffman编码结果如：编码结果如：指令序号指令序号概率概率Huffman编码法编码法操作码长度操作码长度I10.4501位位I20.30102位位I30.151103位位I40.0511104位位I50.03111105位位I60.011111106位位I70.011111116位位采用采用H
11、uffman编码法的操作码平均长度：编码法的操作码平均长度：0.4510.3020.1530.0540.0350.0160.0161.97（位）（位）最优最优Huffman编码法的操作码平均长度计算公式：编码法的操作码平均长度计算公式：niiainiiiPPIPH11)(log)(所以，采用最优所以，采用最优Huffman编码法的操作码平均长度为：编码法的操作码平均长度为：0.451.1520.301.7370.152.7370.054.3220.035.0590.016.6440.016.6441.95（位）（位）采用固定长度编码信息冗余量：采用固定长度编码信息冗余量：%35397. 117
12、log12HR采用采用Huffman编码法信息冗余量：编码法信息冗余量：与与3位定长操作码的冗余量位定长操作码的冗余量35相比要小得多。相比要小得多。1) 操作码长度很不规整，硬件译码困难操作码长度很不规整，硬件译码困难2) 与地址码共同组成固定长的指令比较困难与地址码共同组成固定长的指令比较困难%0 . 197. 195. 11R由固定长操作码与由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成。编码法相结合形成。码长表示法：码长表示法：分等长扩展法和不等长扩展法。等长扩展法如4-8-12法，每次加长4位。但这并不能说明具体编码方法，例如下面两种编码方法都是4-8-12法。码点表示法：码点表示法
13、：例如15/15/15法，8/64/512法 15/15/15法，每一种码长都有4位可编码位（前头可以有相同的扩展标识前缀），可产生16个码点（即编码组合），但是至多只能使用其中15个来表示事件，留下1个或多个码点组合作为更长代码的扩展标识前缀。已经用来表示事件的码点组合不能再作为其它更长代码的前导部分，否则接收者会混淆。这就是“非前缀原则”。 8/64/512法，每一种码长按4位分段，每一段中至少要留下1位或多位作为扩展标识。各段剩下的可编码位一起编码，所产生的码点用来对应被编码事件。每一段中的标识位指出后面还有没有后续段。0000000111101111 00001111 00011111
14、 11101111 1111 00001111 1111 00011111 1111 11104位长度的操作码共有15种8位长度的操作码共有15种12位长度的操作码共有15种操作码编码操作码编码说明说明0000000101111000 00001000 00011111 01111000 1000 00001000 1000 00011111 1111 01114位长度的操作码共有8种8位长度的操作码共有64种12位长度的操作码共有512种操作码编码操作码编码说明说明例：例：假设一台模型计算机共有假设一台模型计算机共有7种不同的操作码。已知各种操种不同的操作码。已知各种操作码在程序中出现的概率
15、如下表，如果采用作码在程序中出现的概率如下表，如果采用1-2-3-5和和2-4扩展扩展编码法，计算操作码平均长度和信息冗余量。编码法，计算操作码平均长度和信息冗余量。指令指令I1概率概率0.45I20.30I30.15I40.05I50.03I60.01I70.01解：解：采用采用1-2-3-5扩展编码法操作码平均长度：扩展编码法操作码平均长度：H=0.4510.3020.153（0.050.030.010.01)5=2.00信息冗余量：信息冗余量：采用采用2-4扩展编码法操作码平均长度：扩展编码法操作码平均长度：H=(0.45+0.30+0.15)2+（0.05+0.03+0.01+0.01
16、)4=2.20信息冗余量：信息冗余量：%5 . 200. 295. 11R%4 .1120. 295. 11R序号概率1-2-3-5扩展编码I10.450I20.3010I30.15110I40.0511100I50.0311101I60.0111110I70.01111112-4等长扩展编码0001101100110111101111平均长度2.02.2信息冗余量2.5%11.4%指令指令I1I2I3I4I5I6I7I8I9I10概率概率0.250.200.150.100.080.080.050.040.030.02例：例：一台处理机有一台处理机有I1-I10共共10条指令，经统计，各指令在
17、程序中使用的频率条指令，经统计，各指令在程序中使用的频率如下：如下：（1）计算这）计算这10条指令的操作码编码的最短平均码长。条指令的操作码编码的最短平均码长。（2）写出这）写出这10条指令的操作码的哈夫曼编码，并计算编码的平均码长和信条指令的操作码的哈夫曼编码，并计算编码的平均码长和信息冗余量。息冗余量。（3）采用）采用3/7扩展编码和扩展编码和2/8扩展编码编写这扩展编码编写这10条指令的操作码，并分别计条指令的操作码，并分别计算平均码长和信息冗余量。哪种扩展编码比较好？说明理由。算平均码长和信息冗余量。哪种扩展编码比较好？说明理由。解解: (1)最短平均码长：最短平均码长：H=-pilo
18、g2pi=-(0.25log20.250.20log20.200.15log20.15 0.10log20.100.08log20.080.08log20.080.05log20.050.04log20.040.03log20.030.02log20.02)2.96（位）（位）(2)两种哈夫曼树两种哈夫曼树0.020.030.040.050.080.080.100.150. 200.250.050.090.130.170.230.320.430.5711011111111000000000.020.030.080.100.200.040.050.080.150.250.050.130.430.
19、230.090.170.320.571101111111100000000IiPi哈夫曼哈夫曼1I1i哈夫曼哈夫曼2I2iI10.25102002I20.20002102I30.1511030103I40.1001031103I50.081110301104I60.080110411104I70.0501114011105I80.04111105011115I90.031111106111105I100.021111116111115可见，哈夫曼编码不唯一。可见，哈夫曼编码不唯一。哈夫曼哈夫曼1平均码长：平均码长：I1=PiI1i=0.252+0.202+0.153+0.103+0.084+0
20、.084+0.054+0.045+ 0.036+0.026=2.99(位位)哈夫曼哈夫曼2平均码长：平均码长：I2=PiI2i=0.252+0.202+0.153+0.103+0.084+0.084+0.055+0.045+ 0.035+0.025=2.99(位位)可见，平均码长唯一。可见，平均码长唯一。信息冗余量：信息冗余量：Rn=(1-H/I1)=1-2.96/2.99=1.0%3/7和和2/8扩展编码如下表所示：扩展编码如下表所示：IiPi3/7扩展扩展I1i2/8扩展扩展I2iI10.25002002I20.20012012I30.1510210004I40.1011000510014
21、I50.0811001510104I60.0811010510114I70.0511011511004I80.0411100511014I90.0311101511104I100.02111105111143/7扩展平均码长：扩展平均码长：I3/7=PiI1i=(0.25+0.20+0.15)2+(0.10+0.08+0.08+0.05+0.04+0.03+0.02)5=3.2(位位)2/8扩展平均码长：扩展平均码长：I2/8=PiI2i=(0.25+0.20)2+(0.15+0.10+0.08+0.08+0.05+0.04+0.03+0.02)4=3.1(位位)可见，可见，2/8扩展优于扩展
22、优于3/7扩展。扩展。两种编码的信息冗余量：两种编码的信息冗余量：Rn3/7=(1-H/I3/7)=1-2.96/3.2=7.5%Rn2/8=(1-H/I2/8)=1-2.96/3.1=4.5%中所占的长度最长。中所占的长度最长。地址码个数，存储设备，寻址空间大小，编地址码个数，存储设备，寻址空间大小，编址方式，寻址方式）址方式，寻址方式）1) 地址个数的选择地址个数的选择2) 单个地址码长度如何优化。单个地址码长度如何优化。 通常有通常有3个、个、2个、个、1个及没有地址码等个及没有地址码等4种情况。种情况。1)程序的存储量，即程序中所有指令的长度相加的总和最短。程序的存储量，即程序中所有指
23、令的长度相加的总和最短。2)程序的执行速度，即程序在执行过程中访问主存储器的信息（包程序的执行速度，即程序在执行过程中访问主存储器的信息（包括指令和数据）量的总和最短。括指令和数据）量的总和最短。1) 采用扩展操作码，以缩短操作码的平均码长。采用扩展操作码，以缩短操作码的平均码长。2) 采用诸如基址、变址、相对寻址、寄存器寻址、寄存器间采用诸如基址、变址、相对寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等多种寻址方式，以缩短需要在指令中表示的地址接寻址等多种寻址方式，以缩短需要在指令中表示的地址码长度，但不减少地址码寻址空间的大小。码长度，但不减少地址码寻址空间的大小。3) 指令集采用零地址、一地址、二地
24、址和三地址等多种地址指令集采用零地址、一地址、二地址和三地址等多种地址制，且让常用的短操作码与多地址字段配合，长操作码与制，且让常用的短操作码与多地址字段配合，长操作码与少地址字段配合。少地址字段配合。4) 采用采用R-R、R-M、M-M等多种地址表示方式，让每种地址字等多种地址表示方式，让每种地址字段有多种长度，使长度不等的操作码与地址码配合成规整段有多种长度，使长度不等的操作码与地址码配合成规整长度的指令字。长度的指令字。5) 在维持指令字在存储器中按整数边界存储的前提下，使用在维持指令字在存储器中按整数边界存储的前提下，使用多种不同的指令字长度。要求指令字长应是主存存储字长多种不同的指令
25、字长度。要求指令字长应是主存存储字长的整数倍。的整数倍。地址数目地址数目 指令长度指令长度程序存储量程序存储量程序执行程序执行速度速度使用场合使用场合三地址三地址短短最大最大一般一般向量，矩阵运算为主向量，矩阵运算为主二地址二地址一般一般很大很大很低很低一般不宜采用一般不宜采用一地址一地址较长较长较大较大较快较快连续运算，连续运算，硬件结构简单硬件结构简单0地址地址最长最长最小最小最低最低嵌套，递归，嵌套，递归，变量较多变量较多二地址二地址R形形一般一般最小最小最快最快多累加器，多累加器，数据传送较多数据传送较多 例：例：一台模型机共有一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为条指令，各指
26、令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和和2%，有，有8个通用数据寄存器，个通用数据寄存器，2个变址寄存器。个变址寄存器。（1）要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并）要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。计算所设计操作码的平均长度。（2）设计）设计8字长的寄存器字长的寄存器-寄存器型指令寄存器型指令3条，条，16位字长的寄位字长的寄存器存器-存储器型变址寻址方式指令存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围不小于条，变址范围不小于127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的
27、编码。编码。解：解：（1）要使得到的操作码长度最短，应采用）要使得到的操作码长度最短，应采用Huffman编码，构造编码，构造Huffman树如下：树如下：0.350.350.250.250.200.200.100.100.050.050.030.030.020.020.050.050.100.100.200.200.400.400.600.601.001.00由此可以得到由此可以得到7条指令的编码分别如下：条指令的编码分别如下：指令指令出现的频率出现的频率编编 码码135%00225%01320%10410%11055%111063%1111072%11111这样，采用这样，采用Huffma
28、n编码法得到的操作码的平均长度为：编码法得到的操作码的平均长度为：H = 2(0.35+0.25+0.20) + 30.10 + 4 0.05+ 5(0.03 + 0.02) =1.6+0.3+0.2+0.25 =2.35 三条指令的操作码分别为三条指令的操作码分别为00，01，10设计设计16位字长的寄存器位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令如下：存储器型变址寻址方式指令如下： 43 18（2）设计）设计8位字长的寄存器位字长的寄存器-寄存器型变址寻址方式指令如寄存器型变址寻址方式指令如下，因为只有下，因为只有8个通用寄存器，所以寄存器地址需个通用寄存器，所以寄存器地址需3位，操作码位，
29、操作码只有两位，设计格式如下：只有两位，设计格式如下： 2 3 3操作码操作码OP源寄存器源寄存器R1目的寄存器目的寄存器R2操作码操作码OP通用寄存器通用寄存器变址寄存器变址寄存器偏移地址偏移地址四条指令的操作码分别为四条指令的操作码分别为1100， 1101，1110，11111. 复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机CISC(Complex Instruction Set Computer)增强指令功能，设置功能复杂的指令。增强指令功能，设置功能复杂的指令。面向目标代码、高级语言和操作系统。面向目标代码、高级语言和操作系统。用一条指令代替一串指令。用一条指令代替一串指令。2. 精简指令系
30、统计算机精简指令系统计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)只保留功能简单的指令。只保留功能简单的指令。功能较复杂的指令用子程序来实现。功能较复杂的指令用子程序来实现。ISA(Instruction Set Architecture)(Industrial Standard Architecture)1) 庞大的指令系统庞大的指令系统原因：原因：q 硬件成本下降、软件成本上升。硬件成本下降、软件成本上升。q 系统向上兼容。系统向上兼容。q 微程序技术的发展。微程序技术的发展。2) 采用了可变长的指令格式采用了可变长的指令格式 为了缩短指令字长，同时增大
31、存储器寻址范围，出现了为了缩短指令字长，同时增大存储器寻址范围，出现了多种寻址方式，出现了可变字长的指令格式。多种寻址方式，出现了可变字长的指令格式。3) 指令使用的寻址方式繁多指令使用的寻址方式繁多4) 指令系统中包括了一些用于特殊用途的指令指令系统中包括了一些用于特殊用途的指令 复杂的指令系统，增加了微处理器的复杂性，使微处理复杂的指令系统，增加了微处理器的复杂性，使微处理器研制时间长、成本高，降低了机器的速度。器研制时间长、成本高，降低了机器的速度。CISC指令系统存在的问题：指令系统存在的问题：1、20与与80规律规律 CISC中，使用频度约中，使用频度约20的指令占据了的指令占据了8
32、0的处理机时的处理机时间，而使用频度间，而使用频度80的指令只占的指令只占20的处理机运行时间的处理机运行时间2、VLSI技术的发展引起的问题技术的发展引起的问题q VLSI工艺要求规整性工艺要求规整性RISC正好适应了正好适应了VLSI工艺的要求工艺的要求q 主存与控存的速度相当主存与控存的速度相当简单指令没有必要用微程序实现，复杂指令用微程序实简单指令没有必要用微程序实现，复杂指令用微程序实现与用简单指令组成的子程序实现没有多大区别；由于现与用简单指令组成的子程序实现没有多大区别；由于VLSI的集成度迅速提高，使得生产单芯片处理机成为可的集成度迅速提高，使得生产单芯片处理机成为可能。能。3
33、、软硬件的功能分配问题、软硬件的功能分配问题q复杂的指令使指令的执行周期大大加长复杂的指令使指令的执行周期大大加长 一般一般CISC处理机的指令平均执行周期都在处理机的指令平均执行周期都在4以上，有些在以上，有些在10以上。以上。qCISC增强了指令系统功能，简化了软件，但硬件复杂了增强了指令系统功能，简化了软件，但硬件复杂了 1981年年Patterson等人研制了等人研制了32位位RISC I微处理器，共微处理器，共31种指令，种指令，3种数据类型，种数据类型，2种寻址方式；研制周期种寻址方式；研制周期10个月，比当个月，比当时最先进的时最先进的MC68000和和Z8002快快3至至4倍；
34、倍；1983年又研制了年又研制了RISC II，指令种类扩充到，指令种类扩充到39种，使用单一的变址寻址方式，通种，使用单一的变址寻址方式，通用寄存器用寄存器138个。个。1) 大多数指令在单周期内完成大多数指令在单周期内完成2) LOAD/STORE结构结构3) 硬布线控制逻辑硬布线控制逻辑4) 减少指令和寻址方式的种类减少指令和寻址方式的种类5) 固定的指令格式固定的指令格式6) 注重编译优化技术注重编译优化技术90年代初，年代初，IEEE的的Michael Slater对对RISC定义的描述：定义的描述：1、RISC为使流水线高效率执行，应具有：为使流水线高效率执行，应具有：1) 简单而
35、统一格式的指令译码简单而统一格式的指令译码2) 大部分指令可以单周期执行完成大部分指令可以单周期执行完成3) 仅仅Load和和Store指令可以访问存储器指令可以访问存储器4) 简单的寻址方式简单的寻址方式5) 采用延迟转移技术采用延迟转移技术6) 采用采用LOAD延迟技术延迟技术2、RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有：为使优化编译器便于生成优化代码，应具有：1) 三地址指令格式三地址指令格式2) 较多的寄存器较多的寄存器3) 对称的指令格式对称的指令格式程序执行时间的计算公式：程序执行时间的计算公式：其中：其中：1) P是执行这个程序所使用的总的时间；是执行这个程序所使用的总的时
36、间；2) I是这个程序所需执行的总的指令条数；是这个程序所需执行的总的指令条数；3) CPI (Cycles Per Instruction)是每条指令执行的平均是每条指令执行的平均周期周期4) T是一个周期的时间长度。是一个周期的时间长度。RISC的速度要比的速度要比CISC快快3倍左右，关键是倍左右，关键是RISC的的CPI减小了。减小了。类型CISC指令条数I指令平均周期数CPI周期时间T121533ns5nsRISC1.31.41.11.410ns2ns1) 延时转移技术延时转移技术2) 指令取消技术指令取消技术3) 重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术4) 指令流调整技术指令流调整技
37、术5) 以硬件为主固件为辅以硬件为主固件为辅 ADD R1,R2 JMP NEXT2NEXT1：SUB R3,R4NEXT2：MOVE R4,A取指执行取指执行取指执行取指执行产生转移地址产生转移地址指令作废指令作废重新取指令重新取指令a)因转移指令引起流水线断流因转移指令引起流水线断流产生转移地址产生转移地址 JMP NEXT2 ADD R1,R2NEXT1：SUB R3,R4NEXT2：MOVE R4,A取指执行取指执行取指执行插入指令插入指令重新取指令重新取指令b)采用延时转移技术的指令流水线采用延时转移技术的指令流水线LOOP：XXX YYY ZZZ COMP R1,R2,LOOP W
38、WWa)调整前程序调整前程序 XXXLOOP：YYY ZZZ COMP R1,R2,LOOP XXX WWWb)调整后程序调整后程序如果转移成功，则执行下面的如果转移成功，则执行下面的XXX指令，然后返回指令，然后返回LOOP；如；如果转移不成功，则取消下面的果转移不成功，则取消下面的XXX指令，执行指令，执行WWW指令。指令。后后取指执行取指执行取指执行取指执行产生转移地址产生转移地址指令作废指令作废重新取指令重新取指令A局部寄存器A,B公用寄存器B局部寄存器B,C公用寄存器C局部寄存器C,D公用寄存器全局寄存器1371321311221211161151061051009990898410
39、90A局部寄存器传送参数B局部寄存器传送参数传送参数C局部寄存器传送参数传送参数寄存器重叠寄存器重叠寄存器重叠寄存器重叠局部寄存器与下一个过程合用与上一个过程合用全局寄存器31262516151090ADD R1,R2,R3 ;(R1)+(R2)R3ADD R3,R4,R5 ;(R3)+(R4)R5MUL R6,R7,R3 ;(R6)(R7)R3MUL R3,R8,R9 ;(R3)(R8)R9a)调整前的指令序列调整前的指令序列ADD R1,R2,R3MUL R6,R7,R0ADD R3,R4,R5MUL R0,R8,R9b)调整后的指令序列调整后的指令序列消除数据相关消除数据相关 RISC要
40、求主要指令在单个周期内执行完成，因此，主要求主要指令在单个周期内执行完成，因此，主要采用硬连线逻辑实现。对于少数复杂的指令，可以使用微要采用硬连线逻辑实现。对于少数复杂的指令，可以使用微程序（固件）实现，程序（固件）实现， 并且较多使用全水平型微指令。并且较多使用全水平型微指令。RISC是硬件和软件相结合的产物。是硬件和软件相结合的产物。RISC硬件设计为优化编译程序设计带来如下方便：硬件设计为优化编译程序设计带来如下方便：1)RISC指令系统比较简单，而且对称、均匀，简化了编译程序复杂指令系统比较简单，而且对称、均匀，简化了编译程序复杂指令选择工作。指令选择工作。2)RISC寻址方式简单，指
41、令大都在寄存器之间进行操作，因此省却寻址方式简单，指令大都在寄存器之间进行操作，因此省却了存储器地址计算、访问工作。了存储器地址计算、访问工作。3)RISC大多数指令在一个周期完成，方便编译器调整指令序列。大多数指令在一个周期完成，方便编译器调整指令序列。RISC给编译器造成的困难：给编译器造成的困难：1)编译器需要使用大量的寄存器，因此，必须精心安排寄存器的用编译器需要使用大量的寄存器，因此，必须精心安排寄存器的用法，发挥寄存器的效率。法，发挥寄存器的效率。2)编译器要做数据和控制相关分析，要调整指令序列，并与硬件相编译器要做数据和控制相关分析，要调整指令序列，并与硬件相配合实现指令延迟技术
42、和指令取消技术。配合实现指令延迟技术和指令取消技术。3)程序量较大，需要建立复杂的子程序库。程序量较大，需要建立复杂的子程序库。主存储器主存储器合一高速缓存合一高速缓存指令指令/数据通路数据通路控制部件控制部件控制控制存储器存储器（指令）主存储器（数据）（指令）主存储器（数据）数据高速缓存数据高速缓存数据通路数据通路硬连线控制部件硬连线控制部件数据高数据高速缓存速缓存（a）经典）经典CISC处理器处理器（b）纯）纯RISC处理器处理器小规模寄存器堆小规模寄存器堆大型寄存器堆大型寄存器堆指令格式指令格式可变格式：可变格式：1632和和64位位固定固定32位指令位指令时钟频率时钟频率随技术发展而变
43、化随技术发展而变化随技术发展而变化随技术发展而变化寄存器堆寄存器堆824个通用寄存器个通用寄存器32192个分离的整数个分离的整数和浮点寄存器堆和浮点寄存器堆指令系统指令系统规模和类型规模和类型约约300条，条，多于多于48种指令类型种指令类型约约100条，除取条，除取/存外，存外，大都基于寄存器大都基于寄存器寻址方式寻址方式约约12种种,包含间接包含间接/变址寻址变址寻址35种种,只有取只有取/存寻址存储器存寻址存储器高速缓存设计高速缓存设计较早使用合一高速缓存，较早使用合一高速缓存，有些使用分离高速缓存有些使用分离高速缓存大多数使用分离的大多数使用分离的数据和指令高速缓存数据和指令高速缓存CPI及平均及平均CPI120个周期个周期,平均平均4个个简单操作简单操作1个周期个周期,平均约平均约1.5个个CPU控制控制大多数用微程序控制，大多数用微程序控制，有些使用硬连线控制有些使用硬连线控制大多数用硬连线控制，大多数用硬连线控制，没有控制存储器没有控制存储器代表性代表性商品化处理器商品化处理器Intel x86,Vax8600,IBM390,MC68040,Intel Pentium,AMD486和和Cyrix686SunUltraSparc,MIPS R10000Power PC-604,HP PA-8000,Digital Alpha 21164DBAB
