指令集基本原理

指令集体系结构分类

• 最基本的区别: 处理器内部的存储类型
  • 包括: 栈, 累加器和寄存器组
• 操作数的显式与隐式命名:
  • 栈体系结构: 操作数隐式位于栈顶
  • 累加器体系结构: 操作数为隐式的累加器
  • 通用寄存器体系结构: 只有显式的操作数
    • 要么是寄存器, 要么是存储地址

      [!note] 显式操作数 显式操作数可能直接从存储器访问, 也可能需要首先加载到临时存储中, 具体取决于具体的体系结构类别以及选择的特定指令 如上面的图片中, (c)中, 一个输入操作数是寄存器, 另一个输入操作数在存储器中, 结果保存在寄存器中. 而在 (d)中, 所有的操作数都是寄存器, 而且和栈体系结构类似, 只能通过独立指令传送到存储器中

[!note] 载入-存储寄存器结构出现的原因 1. 寄存器快于存储器 2. 对编译器来说, 使用寄存器的效率要高于使用其他内部存储形式 3. 寄存器可以用于保存变量. 当变量被分配到寄存器中时, 可以降低内存的访问速度, 加快程序速度, 提高代码密度

[!note] 对于载入-存储寄存器结构, 多少个寄存器才算够? 取决于编译器如何使用这些寄存器. 多数编译器会为表达式求值保留一些寄存器, 为参数传递使用一些寄存器, 其余寄存器用于保存变量. 现代的编译器技术能够有效的使用大量寄存器, 导致了新体系结构中寄存器数量的增加.

• 三种常见通用寄存器计算机的优势与劣势:

存储器寻址

解释存储器地址

• 数据访问的两个问题
  • 字节顺序
  • 对齐
• 字节顺序: 大端或小端
• 对齐: 如果 \(A\quad mod\quad s=0\), 则字节地址 \(A\) 对大小为 \(s\) 字节的对象的访问是对齐的

  [!note] 为什么要设计一种带有对齐限制的计算机? 由于存储器的对齐边界通常是单字或双字的整倍数, 所以非对齐访问会增加硬件的复杂度 并且, 一个非对齐存储器访问可能需要多个对齐存储器访问, 因此, 即使在允许非对齐访问的计算机中, 采用对齐访问的程序也可以运行的更快一些.

寻址方式

- 寻址方式的丰富可以减少指令的数目, 但也会增加构建计算机的复杂度, 对于实施这些寻址方式的计算机, 还可能增加每条指令的平均时钟周期 - 寻址方式的使用频率:

位移量寻址方式

立即数或直接操作数寻址方式

操作数的类型与大小