系统结构-2指令系统

1. 指令系统的分类

以C=A+B为例说明不同指令系统的特性

• 堆栈型

计算只能从栈顶拿数据，计算完也只能放回栈顶。

代码：

​ Push A (内存 $\to$ 堆栈)

​ Push B (内存 $\to$ 堆栈)

​ Add ([计算数]堆栈 $\to$ ALU $\to$ [计算结果]堆栈)

​ Pop C (堆栈 $\to$ 内存)

• 累加器型

一个操作数必须来自累加器，另一个操作数必须来自内存。结果必须放回累加器。

代码：

​ Load A (内存 A $\to$ 累加器)

​ Add B (累加器 + 内存 B $\to$ ALU $\to$ 累加器)

​ Store C (累加器 $\to$ 内存 C)

• 寄存器型

  • 寄存器-内存型

  累加器型的“升级版”。计算时，一个操作数来自任意寄存器，另一个可以来自内存。

  代码：

  ​ Load R1, A (内存 A $\to$ 寄存器 R1)

  ​ Add R3, R1, B (R1 + 内存 B $\to$ ALU $\to$ 寄存器 R3)

  ​ Store R3, C (寄存器 R3 $\to$ 内存 C)

  • 寄存器-寄存器型

    ⭐RISC核心：快慢分离。ALU只做快速计算；内存只负责慢速访问

  ALU不能直接访问内存。所有操作数必须先从内存 Load到寄存器中

  代码：

  ​ Load R1, A (内存 A $\to$ 寄存器 R1)

  ​ Load R2, B (内存 B $\to$ 寄存器 R2)

  ​ Add R3, R1, R2 (寄存器 R1 + 寄存器 R2 $\to$ ALU $\to$ 寄存器 R3) Store R3, C (寄存器 R3 $\to$ 内存 C)

2.寻址方式

3. 控制指令

①跳转指令：无条件改变控制流

②分支指令：有条件改变控制流

改变控制流大多是分支指令（条件跳转）

分三种

• 条件码
• 条件寄存器（主流）
• 比较与分支

4. 指令操作码的优化

指令 =操作码+地址码

优化：如何用最短的位数来表示指令信息

• 最短平均码长（信息熵）：$$H = -\sum p_i \log_2 p_i$$

  理论可达的平均最短码长

• 平均码长：

​ $$L=\sum p_i l_i$$

• 信息冗余量

  $$\frac{L-H}{L}$$

①霍夫曼编码

除该码外还有一种利用霍夫曼概念的拓展操作码

方法：先读取前两位，若是00/01/10则确定是2位操作码，若是11则继续读两位，重复…

②等长扩展码

③定长扩展码

5. 指令字格式的优化