?2022年10月自考02325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料三

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2022年10月自考02325計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習(xí)資料三

一、指令格式及其優(yōu)化（簡(jiǎn)單應(yīng)用）

指令一般由兩部分組成：一部分是操作碼，另一部分是操作地址碼。當(dāng)操作數(shù)地址為隱式時(shí)（如堆棧的操作，默認(rèn)為棧頂），后一部分則不是必須的。根據(jù)指令地址碼部分中顯式指明的地址個(gè)數(shù)，則可形成零地址、單地址、二地址、三地址及四地址指令。

我們說的確定指令格式主要就是選擇指令字中的操作碼長(zhǎng)度和地址數(shù)。指令字的長(zhǎng)度有定長(zhǎng)和變長(zhǎng)兩種。

我們著重要討論的問題是指令格式的優(yōu)化問題，優(yōu)化就是以較少的格式，以盡可能短的碼長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)各種指令編碼。

指令字包括操作碼和地址碼，所以對(duì)這兩部分都采取優(yōu)化措施。

1、操作碼的優(yōu)化。這要用到霍夫曼壓縮的概念?；舴蚵鼔嚎s法是一種頻率相關(guān)的編碼方法，即出現(xiàn)頻率高的字符編碼短，頻率低的字符編碼長(zhǎng)，這樣可以縮短平均碼長(zhǎng)。我們要掌握的是用霍夫曼樹實(shí)現(xiàn)霍夫曼編碼。其方法很簡(jiǎn)單：

根據(jù)所給的各種指令使用頻率，把它們從小到大依次排好作為葉結(jié)點(diǎn)（相同的頻率可任取一個(gè)排在前），然后把最小的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)值（頻率）相加，形成一個(gè)新結(jié)點(diǎn)，以這個(gè)結(jié)點(diǎn)的值與其他的葉結(jié)點(diǎn)值比較大小，仍舊取最小的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)值合并產(chǎn)生新結(jié)點(diǎn)，直到最終合并為一個(gè)根（通常這個(gè)值是1或100）。簡(jiǎn)單地記為：

從小到大排序，

最小兩個(gè)合并，

重復(fù)上述過程，

只剩一個(gè)結(jié)束。

編碼時(shí)，從根結(jié)點(diǎn)開始向下，凡左邊分支都編為"1"，右邊分支都編為"0"（也可取反），則從根結(jié)點(diǎn)到葉結(jié)點(diǎn)的一條路徑上的編碼組合就是該指令的霍夫曼編碼。（請(qǐng)仔細(xì)觀察圖4.12中的霍夫曼樹）注意，霍夫曼樹不是唯一的（因?yàn)橄嗤念l率可以任取一個(gè)在前，且編碼時(shí)又可任取左1或左0），但所得的平均碼長(zhǎng)應(yīng)是一樣的。由于霍夫曼編碼得到的碼長(zhǎng)很不規(guī)整，所以有時(shí)候要采用霍夫曼擴(kuò)展編碼，就是在霍夫曼碼的基礎(chǔ)上對(duì)碼長(zhǎng)加以限制（取幾個(gè)確定的長(zhǎng)度如2位、4位等），對(duì)編碼作適當(dāng)改變。

平均碼長(zhǎng)應(yīng)該容易計(jì)算吧，這也是要用到的。

2、地址碼的優(yōu)化。上面我們學(xué)了操作碼的優(yōu)化，但是一條指令碼還包括地址碼。兩者合理安排才能使指令格式得到優(yōu)化。示意如下：

由于操作碼優(yōu)化后是變長(zhǎng)的編碼，如果整條指令是定長(zhǎng)的，那么使地址碼的寬度應(yīng)隨不同指令變化，以配合操作碼形成定長(zhǎng)指令；也可以通過改變指令字中的地址數(shù)和地址碼的長(zhǎng)度，以使單地址及多址都可以在一條指令中使用；如果操作碼和地址碼之外還有空余的碼位，則設(shè)法用來存放立即操作數(shù)或常數(shù)。

當(dāng)今的RISC機(jī)指令系統(tǒng)中，全都是用定字長(zhǎng)指令格式。

二、兩種不同的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)風(fēng)格 CISC和RISC

這兩種風(fēng)格應(yīng)作比較深入的領(lǐng)會(huì)，并要識(shí)記一些內(nèi)容。

CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）以VAX-11/780為代表，70年代后的各種微機(jī)如我們用的intel80x86均是這種風(fēng)格的計(jì)算機(jī)。

CISC設(shè)計(jì)風(fēng)格的主要特點(diǎn)是：

（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜；費(fèi)時(shí)（2）絕大多數(shù)指令需要多個(gè)機(jī)器周期方可執(zhí)行完畢；自由主義（3）各種指令都可訪問存儲(chǔ)器；地方主義（4）采用微程序控制；小金庫（5）有專用寄存器；低效率（6）難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序。 復(fù)雜

這哪里是特點(diǎn)，分明是一大堆缺點(diǎn)嘛，RISC機(jī)的特點(diǎn)就是把它們"取反"，凡是 CISC是這樣的，它就不是這樣的：

（1）簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)；省時(shí)（2）除了LOAD/STORE指令外，所有指令都在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢；集體主義（3）除了LOAD/STORE指令外，其余指令只與寄存器打交道；搞活流通（4）絕大部分采用硬聯(lián)線控制，不用或少用微程序?qū)崿F(xiàn)；查封小金庫（5）使用較多的通用寄存器，一般至少有32個(gè)，絕沒有專用寄存器；高效率（6）采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序。 簡(jiǎn)化

RISC與CISC技術(shù)兩者的主要區(qū)別在于設(shè)計(jì)思想上的差別，RISC的設(shè)計(jì)思想是；將那些不是最頻繁使用的功能（指令）由軟件來加以實(shí)現(xiàn)，這樣就可以優(yōu)化硬件，并可使其執(zhí)行得更快。在第一章中我們學(xué)過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，第一個(gè)準(zhǔn)則就是：只加速使用頻率高的部件。RISC的設(shè)計(jì)思想與此完全吻合。

下面我們學(xué)習(xí)RISC技術(shù)中所采用的特殊方法：

1、采用較大量的寄存器，采用窗口重疊寄存器技術(shù)。

窗口重疊技術(shù)：在RISC結(jié)構(gòu)中，為了減少過程調(diào)用中保存現(xiàn)場(chǎng)和建立新現(xiàn)場(chǎng)，以及返回時(shí)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等輔助操作，通常將所有寄存器分成若干個(gè)組，稱為寄存器窗口。每組中有若干個(gè)寄存器，每當(dāng)有過程調(diào)用時(shí)，就分配一個(gè)未被使用的寄存器窗口，這樣就可減少保存和恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)的開銷。此外在每個(gè)寄存器窗口中，又分成大小固定的高區(qū)、本地和低區(qū)三個(gè)區(qū)段。其中本地區(qū)用來存放局部變量，高區(qū)在被調(diào)用時(shí)用來保存調(diào)用過程送來的參數(shù)，而在返回主調(diào)用過程時(shí)，存放返回結(jié)果。而低區(qū)在調(diào)用時(shí)存放欲送往被調(diào)用過程的參數(shù)，而在被調(diào)用過程返回時(shí)用來存放返回結(jié)果。在使用時(shí)，每一對(duì)調(diào)用和被調(diào)用過程的寄存器窗口各自的低區(qū)和高區(qū)相互重疊。一旦發(fā)生過程調(diào)用或返回，在控制由一個(gè)窗口轉(zhuǎn)換到另一窗口時(shí)，這些參數(shù)就通過兩個(gè)窗口間的公共寄存器區(qū)自動(dòng)的被傳送而不需要再用額外的傳送時(shí)間。 （可參照教材進(jìn)行理解）。

2、采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)

優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)：即是使轉(zhuǎn)移指令在準(zhǔn)備將控制轉(zhuǎn)向目標(biāo)指令的同時(shí)，執(zhí)行緊隨在轉(zhuǎn)移指令之后的那條指令，也就是是在將轉(zhuǎn)移指令后延遲槽內(nèi)的指令執(zhí)行完畢后，才發(fā)生真正的轉(zhuǎn)移（不論轉(zhuǎn)移是否成功），這種優(yōu)化技術(shù)可在保證程序正確執(zhí)行的同時(shí)又可避免延遲轉(zhuǎn)移中損失的一個(gè)機(jī)器周期時(shí)間。

3、采用比較轉(zhuǎn)移指令

比較-轉(zhuǎn)移指令：在RISC機(jī)中，把比較和轉(zhuǎn)移（在CISC機(jī)中需用兩條指令完成的功能）合并成一條指令。該指令將直接對(duì)兩個(gè)對(duì)象（寄存器-寄存器或存儲(chǔ)器-立即數(shù)）進(jìn)行相等或不等比較，然后根據(jù)比較結(jié)果判別是否進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這樣就可省去一條指令，并不受條件碼的約束。

4、采用優(yōu)化編譯技術(shù)

優(yōu)化編譯技術(shù)：在編譯時(shí)就可發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的阻塞情況，由編譯器通過重排指令執(zhí)行序列來消除可能出現(xiàn)的阻塞情況，當(dāng)無法消除時(shí)就填入相應(yīng)的空操作，因此不需要硬件的互鎖流水支持。

以上的特殊技術(shù)并中是每一種RISC機(jī)都采用的，在RISC機(jī)中有兩個(gè)比較典型的代表，一個(gè)是加州大學(xué)伯克萊分校的RISC-I、II機(jī)的思路，側(cè)重系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持，采用由大量寄存器組成的寄存器堆及窗口重疊技術(shù)。另一個(gè)是遵循斯坦福大學(xué)的MIPS機(jī)器思路，側(cè)重采用編譯的支持，采用優(yōu)化編譯技術(shù)，。

CISC和RISC兩種設(shè)計(jì)風(fēng)格的比較，其實(shí)就是說RISC優(yōu)點(diǎn)，簡(jiǎn)單地說就是快、省、可靠、易實(shí)現(xiàn)、好優(yōu)化。

關(guān)于RISC的兩種代表機(jī)型的指令系統(tǒng)實(shí)例，要對(duì)照它們的指令系統(tǒng)中指令數(shù)、指令格式、尋址方式及采用的特殊技術(shù)來進(jìn)行比較。

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