1、2.1 數(shù)據(jù)表示 2.2 尋址方式 2.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化 2.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 2.5 本章小結(jié),2.1 數(shù)據(jù)表示,2.1.1 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)表示指的是能由機(jī)器硬件識(shí)別和引用的數(shù)據(jù)類型， 表現(xiàn)在它有對(duì)這種類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的指令和運(yùn)算部件。,20世紀(jì)50年代初提出的變址操作，為向量、陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供了直接支持。如圖2 - 1所示，增設(shè)變址寄存器硬件存放變址值i(i可從0到n-1)，在指令中增設(shè)變址位字段指明操作數(shù)所用的變址寄存器號(hào)，用A1或A2字段指明存放向量首元素地址所用的寄存器號(hào)，通過(guò)增設(shè)的變址加法器硬件來(lái)形成操作數(shù)有效地址。,圖 2 - 1 變址操作對(duì)向量

2、、陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持,2.1.2 高級(jí)數(shù)據(jù)表示1. 自定義數(shù)據(jù)表示自定義(Selfdefining)數(shù)據(jù)表示包括標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)描述符兩類。1) 標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示,標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示的主要優(yōu)點(diǎn)是：(1) 簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)。 (2) 簡(jiǎn)化了編譯程序。 (3) 便于實(shí)現(xiàn)一致性校驗(yàn)。 (4) 能由硬件自動(dòng)變換數(shù)據(jù)類型。 (5) 支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無(wú)關(guān)的要求，使程序不用修改即可處理多種不同類型的數(shù)據(jù)。 (6) 為軟件調(diào)試和應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)提供了支持。,用標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示可能帶來(lái)以下兩個(gè)問(wèn)題：(1) 每個(gè)數(shù)據(jù)字因增設(shè)標(biāo)志符，會(huì)增加程序所占的主存空間。 如圖2 - 2所示，只要面積A小于面積B

3、，用標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示反而還節(jié)省程序空間。 數(shù)據(jù)類型變換和一致性檢查由硬件完成，不放在目的程序中，也節(jié)省了目的程序所占用的主存空間。,圖 2 - 2 采用標(biāo)志符縮短操作碼以節(jié)省程序空間,(2) 采用標(biāo)志符會(huì)降低指令的執(zhí)行速度。 2) 數(shù)據(jù)描述符為進(jìn)一步減少標(biāo)志符所占存儲(chǔ)空間，對(duì)向量、數(shù)組、記錄等數(shù)據(jù)，由于元素屬性相同， 因此發(fā)展出數(shù)據(jù)描述符等。,采用描述符方式取操作數(shù)的過(guò)程如圖2 - 3所示。按指令操作數(shù)地址x、y訪存，若取來(lái)的字，其前3位為“000”，就是所需的操作數(shù)； 若前3位為“101”，表明它是描述符， 將它取到描述符寄存器，由它的標(biāo)志位、長(zhǎng)度和地址字段聯(lián)合控制，經(jīng)地址形成邏輯形成操作數(shù)的

4、地址，再訪存取數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)塊，訪存取到寄存器的描述符可用于塊內(nèi)所有元素，不必每次訪存取元素時(shí)都去訪存取描述符。圖2 - 4表示用數(shù)據(jù)描述符描述一個(gè)34的二維陣列的情況。,圖 2 - 3 經(jīng)描述符訪存取操作數(shù),圖 2 - 4 用描述符描述二維陣列,2. 向量、數(shù)組數(shù)據(jù)表示為向量、數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)和快速運(yùn)算提供更好的硬件支持的方法是增設(shè)向量、數(shù)組數(shù)據(jù)表示，組成向量機(jī)，如STAR-100和CRAY-1等。有向量數(shù)據(jù)表示的處理機(jī)就是向量處理機(jī)，如向量流水機(jī)、陣列機(jī)、相聯(lián)處理機(jī)等?！纠?2-2】 要計(jì)算 ci=ai+5+bi， i=10，11，1000,用FORTRAN語(yǔ)言寫成的DO循環(huán)為 DO 40

5、 I=10，1000 40 C(I)=A(I+5)+B(I),圖2 - 5示意出向量編址所需用到的參數(shù)，每一行為一個(gè)元素。 引入向量、數(shù)組數(shù)據(jù)表示不只是能加快形成元素地址，更主要的是便于實(shí)現(xiàn)把向量各元素成塊預(yù)取到中央處理機(jī)，用一條向量、數(shù)組指令流水或同時(shí)對(duì)整個(gè)向量、數(shù)組進(jìn)行高速處理。,圖 2 - 5 向量編址所用的參數(shù),3. 堆棧數(shù)據(jù)表示堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在編譯和子程序調(diào)用中很有用，為了高效實(shí)現(xiàn)，不少機(jī)器都設(shè)有堆棧數(shù)據(jù)表示。有堆棧數(shù)據(jù)表示的機(jī)器稱為堆棧機(jī)器。,(1) 有高速寄存器組成的硬件堆棧，并附加控制電路，使它與主存中的堆棧區(qū)在邏輯上構(gòu)成整體，使堆棧的訪問(wèn)速度是寄存器的，容量是主存的。(2) 有

6、豐富的堆棧操作指令且功能很強(qiáng)，可直接對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算和處理。(3) 有力地支持了高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯。 (4) 有力地支持了子程序的嵌套和遞歸調(diào)用。調(diào)用過(guò)程如圖2 - 6所示。,圖 2 - 6 用堆棧實(shí)現(xiàn)子程序的嵌套和遞歸調(diào)用,2.1.3 引入數(shù)據(jù)表示的原則 原則1 看系統(tǒng)的效率是否顯著提高，包括實(shí)現(xiàn)時(shí)間和存儲(chǔ)空間是否有顯著減少。【例 2-3】 A、B兩個(gè)200200的定點(diǎn)數(shù)二維數(shù)組相加，用PL/I語(yǔ)言編寫為 A=A+B,【例 2-4】 引入具有樹(shù)形數(shù)據(jù)表示的樹(shù)結(jié)構(gòu)式機(jī)器，對(duì)樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是高效的，但對(duì)堆棧、向量、鏈表等其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)都是低效的。,2.1.4 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值大小和

7、下溢處理方法的選擇 1. 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇當(dāng)機(jī)器字長(zhǎng)相同時(shí)，用浮點(diǎn)數(shù)表示實(shí)數(shù)比用定點(diǎn)數(shù)表示有更大的可表示數(shù)范圍。不少機(jī)器都采用類似圖2 - 7所示的格式表示一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)。 但由于機(jī)器字長(zhǎng)有限，浮點(diǎn)數(shù)只能表示出數(shù)軸上分散于正、負(fù)兩個(gè)區(qū)間上的部分離散值，如圖2 - 8所示。,圖 2 - 7 浮點(diǎn)數(shù)的一般格式,圖 2 - 8 浮點(diǎn)數(shù)可表示實(shí)數(shù)域中的值,表2 - 1的左部列出了階值采用二進(jìn)制p位，尾數(shù)采用rm進(jìn)制m位，在非負(fù)階、 正尾數(shù)、規(guī)格化條件下有關(guān)浮點(diǎn)數(shù)各種特性參數(shù)的一般式。,表 2 - 1 采用尾基為rm的浮點(diǎn)數(shù)表示的特性及其舉例,討論尾數(shù)rm取不同值的影響，當(dāng)然是在相同的機(jī)器位數(shù)，即相同的

8、階值位數(shù)p、機(jī)器尾數(shù)位數(shù)m的情況下，討論不同rm對(duì)特性參數(shù)的影響。表2 - 1右部列出了當(dāng)機(jī)器在p=2、 m=4時(shí)，rm分別取2和16時(shí)的特性參數(shù)值。為了對(duì)比，表2 - 2和表2 - 3列出了這兩種情況下所表示的具體值。由此可見(jiàn)，機(jī)器的p、m一定時(shí)，尾數(shù)基值rm取不同值的影響情況。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，又以rm是2的整數(shù)冪來(lái)討論，所得的結(jié)論對(duì)rm不是2的整數(shù)冪的情況也是符合的。,表 2 - 2 p=2、m=4、rm=2的規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù),表 2 - 3 p=2、m=4、rm=16的規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù),1) 可表示數(shù)的范圍由表 2 - 1 得知，隨rm的增大，可表示數(shù)的最小值r-1m將減小。 2) 可表示數(shù)的個(gè)

9、數(shù)由表2 - 1得知，可表示數(shù)的個(gè)數(shù)為2p+m(1-r-1m)，其中2p+m為常數(shù)，所以rm的增大將使1-r-1m增大，從而使可表示數(shù)的個(gè)數(shù)增多。很容易得出，rm為16與為2的可表示數(shù)的個(gè)數(shù)之比為,3) 數(shù)在數(shù)軸上的分布 對(duì)比表2 - 2和表2 - 3，可見(jiàn)rm用16比用2時(shí)可表示的數(shù)在數(shù)軸上的分布要稀。 由于rm2時(shí)，可表示數(shù)的最大值總比rm=2時(shí)可表示數(shù)的最大值要大，總可以找到一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)，其最大尾數(shù)值為1-2-m，階值為q，使得,即 ，從而得出此時(shí)的q值為,顯然，尾數(shù)不超過(guò)最大值且階值也不超過(guò)q的所有大的rm的規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)值都將是rm=2所表示的最大值以內(nèi)的那些數(shù)。這樣，共有q+1種階值和

10、2m(rm-1)/rm種尾數(shù)值，即對(duì)于大的rm，共有2m(1-r-1m)(q+1)種可表示的值都在rm=2所表示的最大值以內(nèi)。于是表示比,將q=(2p-1)/lbrm代入上式得實(shí)際機(jī)器中階碼位數(shù)p至少為8，若rm取16，則,4) 可表示的精度 5) 運(yùn)算中的精度損失 6) 運(yùn)算速度 在確定好rm后，應(yīng)采取措施減少不利的影響。下面就以浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值rm取小后，如rm=2時(shí)，如何減少精度損失為例，分析浮點(diǎn)數(shù)可采取的下溢處理方法。,2. 浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)的下溢處理方法減少運(yùn)算中的精度損失關(guān)鍵是要處理好運(yùn)算中尾數(shù)超出字長(zhǎng)的部分，使之精度損失最小。 (1) 截?cái)喾?。其方法是將尾?shù)超出機(jī)器字長(zhǎng)的部分截去。誤差曲

11、線如圖2 - 9(a)所示。,圖 2 - 9 rm=2，m=2時(shí)各種下溢處理方法的誤差曲線 (a) 截?cái)喾ǎ?(b) 舍入法； (c) 恒置“1”法; (d) 查表舍入法,(2) 舍入法。 誤差曲線如圖2 - 9(b)所示。 (3) 恒置“1”法。其方法是將機(jī)器運(yùn)算的規(guī)定字長(zhǎng)之最低位恒置為“1”。誤差曲線如圖2- 9(c)所示。 (4) 查表舍入法。其方法是用ROM或PLA存放下溢處理表，如圖2 - 10所示就是用2k個(gè)字的ROM存放下溢處理表，其k位地址使用尾數(shù)最低的k-1位和準(zhǔn)備舍棄掉的最高位狀態(tài)，讀出的內(nèi)容就是對(duì)應(yīng)k-1位的下溢處理結(jié)果。,圖 2 - 10 k位ROM查表舍入,2.2.1

12、 尋址方式的三種面向多數(shù)計(jì)算機(jī)都將主存、寄存器、堆棧分類編址，分別有面向主存、面向寄存器和面向堆棧的尋址方式。,2.2 尋 址 方 式,2.2.2 尋址方式在指令中的指明尋址方式在指令中一般有兩種不同的指明方式，不同機(jī)器可用其中的一種指明方式。 2.2.3 程序在主存中的定位技術(shù)邏輯地址是程序員編程用的地址。主存物理地址是程序在主存中的實(shí)際地址。 當(dāng)程序裝入主存時(shí)，就需要進(jìn)行邏輯地址空間到物理地址空間的轉(zhuǎn)換， 即進(jìn)行程序的定位，如圖2 - 11所示。,圖 2 - 11 邏輯地址空間到物理地址空間的變換,1. 靜態(tài)再定位 2. 動(dòng)態(tài)再定位20世紀(jì)60年代后提出程序中指令不準(zhǔn)修改。那么，不準(zhǔn)修改指

13、令地址碼又如何實(shí)現(xiàn)邏輯地址空間到物理地址空間的變換呢? 人們?cè)谖∽冎穼ぶ返乃枷牒螅岢隽嘶穼ぶ贩ǎ鐖D2 - 12所示。3. 虛實(shí)地址映像表地址加界法要求程序員所用編址空間不能超出實(shí)際主存的容量。,圖 2 - 12 基址尋址,2.2.4 物理主存中信息的存儲(chǔ)分布通常一臺(tái)機(jī)器同時(shí)會(huì)存放有寬度不同的多種信息。 如果允許它們?nèi)我獯鎯?chǔ)，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)信息跨主存字邊界存儲(chǔ)的情況，如圖2 - 13(a)所示。,圖 2 - 13 各種寬度信息的存儲(chǔ),2.3.1 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則指令系統(tǒng)是程序設(shè)計(jì)者看到的機(jī)器的主要屬性，是軟、硬件的主要界面，它在很大程度上決定了計(jì)算機(jī)具有的基本功能。,2.3 指令系統(tǒng)

14、的設(shè)計(jì)和優(yōu)化,2.3.2 指令操作碼的優(yōu)化指令是由操作碼和地址碼兩部分組成的。【例 2-5】現(xiàn)假設(shè)某模型機(jī)共有n(n=7)條指令，使用頻度如表2 - 4所示。若操作碼用定長(zhǎng)碼表示，需要lbn(即3)位。而按信息論觀點(diǎn)，若各種指令的出現(xiàn)是相互獨(dú)立的(實(shí)際并不都是如此)，操作碼的信息源熵(信息源所含平均信息量)H= 。,由表2 - 4的數(shù)據(jù)可得H= pi=2.17。說(shuō)明表示這7種指令的操作碼平均只需2.17 位即可?，F(xiàn)在用3位定長(zhǎng)碼表示，信息冗余度為,冗余相當(dāng)大。為減少信息冗余度，改用哈夫曼編碼。,表 2 - 4 某模型機(jī)指令使用頻度舉例,利用哈夫曼算法，構(gòu)造哈夫曼樹(shù)。如圖2 - 14所示，將所有

15、7條指令的使用頻度由小到大排序，每次選擇其中最小的兩個(gè)頻度合并成一個(gè)頻度，使它們二者之和成為一個(gè)新結(jié)點(diǎn)。再按該頻度大小插到余下未參與結(jié)合的頻度值中。如此繼續(xù)進(jìn)行，直到全部頻度結(jié)合完畢形成根結(jié)點(diǎn)為止。,圖 2 - 14 哈夫曼樹(shù)舉例,表 2 - 5 操作碼的哈夫曼編碼及擴(kuò)展操作碼編碼,【例 2-6】在B-1700機(jī)上，面向操作系統(tǒng)用SDL語(yǔ)言的機(jī)器指令操作碼有4、6、10位三種長(zhǎng)度。高4位的16個(gè)碼點(diǎn)中，10個(gè)用于表示pi值最大的10條指令，5個(gè)指明操作碼為 6位長(zhǎng)， 1個(gè)指明操作碼是10位長(zhǎng)。表2 - 6列出了整個(gè)操作系統(tǒng)分別用定長(zhǎng)8位操作碼、4 - 6 - 10位擴(kuò)展操作碼和完全的哈夫曼編碼

16、所用指令操作碼的總位數(shù)。,表 2 - 6 B-1700機(jī)操作編碼方式的比較,圖2 - 15為這兩種編碼法的具體碼點(diǎn)。選用哪種編碼方法取決于指令使用頻度pi的分布。若pi值在頭15種指令中都比較大，但在30種指令后急劇減少，則宜選15/15/15法； 若pi值在頭8種指令中較大，之后的64種指令的pi值也不太低，則宜選8/64/512法。衡量標(biāo)準(zhǔn)是看哪種編碼法能使平均碼長(zhǎng) 最短。當(dāng)然不是說(shuō)就只有15/15/15法和8/64/512法兩種擴(kuò)展方法，擴(kuò)展標(biāo)志不同，還可有其他許多種擴(kuò)展方案。,圖 2 - 15 15/15/15編碼法和8/64/512編碼法,【例 2-7】 若某機(jī)要求有： 三地址指令4

17、條，單地址指令255條，零地址指令16條。設(shè)指令字長(zhǎng)為12位，每個(gè)地址碼長(zhǎng)為3位。能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？ 如果單地址指令改為254條呢？無(wú)論是哈夫曼編碼，還是擴(kuò)展操作碼編碼，其中的短碼都不能與長(zhǎng)碼的首部相同。因?yàn)?，指令中除了操作碼外，后面所跟的，或者是操作數(shù)，或者是操作數(shù)所在的寄存器編號(hào)或存儲(chǔ)單元的地址碼，它們又都是以二進(jìn)制碼編碼的形式出現(xiàn)的，所以如果短操作碼成了長(zhǎng)操作碼的前綴，就會(huì)使指令操作碼譯碼時(shí)，無(wú)法做到唯一譯碼和立即解碼。,2.3.3 指令字格式的優(yōu)化如果主存按位編址，指令字又不按整數(shù)邊界存儲(chǔ)，而是逐條緊挨著存儲(chǔ)，如圖2 - 16所示，操作碼的優(yōu)化表示會(huì)直接帶來(lái)程序總位數(shù)的減少。然

18、而，這樣做會(huì)使有些指令(如圖中的k+3，k+5，k+8, k+11，k+14等)都需兩個(gè)主存周期才能取出，使機(jī)器速度明顯下降。操作碼優(yōu)化表示后的長(zhǎng)度li會(huì)因pi不同而有多種，但操作碼優(yōu)化帶來(lái)的li縮短，只會(huì)使指令字出現(xiàn)空白浪費(fèi)，如圖2 - 17所示。,圖 2 - 16 任意長(zhǎng)指令字在按位編址主存中存儲(chǔ)的情況,圖 2 - 17 等長(zhǎng)地址發(fā)揮不出操作碼優(yōu)化表示的作用,實(shí)際應(yīng)用中各種指令的操作數(shù)個(gè)數(shù)會(huì)有不同，因此，可根據(jù)需要讓指令系統(tǒng)采用多種地址制，如圖2 - 18所示。而且，同一種地址制還可采用多種地址形式和長(zhǎng)度，也可以用空白處來(lái)存放直接操作數(shù)或常數(shù)等，如圖2 - 19所示。,圖 2 - 18 在

19、定長(zhǎng)指令字內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種地址制,圖 2 - 19 同種地址制下的多種地址形式和長(zhǎng)度,【例 2-8】 某模型機(jī)9條指令的使用頻度如表2 - 7所示。,表 2 - 7 模 型 機(jī) 指 令,僅根據(jù)9條指令給出的頻度，不考慮其他要求，設(shè)計(jì)完全的哈夫曼操作碼，只需對(duì)此9條指令的頻度，用哈夫曼算法構(gòu)造哈夫曼樹(shù)，如圖2 - 20所示。,圖 2-20 表2 - 7模型機(jī)的哈夫曼樹(shù),因此，操作碼的平均碼長(zhǎng)為 采用2-5擴(kuò)展的操作碼編碼為 ADD 30% 00 SUB 24%01 CLA20%10 JOM6%11000 STO7%11001 JMP7%11010 SHR2%11011 CIL3%11100 STP1%

20、11101,這樣，操作碼的平均碼長(zhǎng)為該機(jī)允許使用的可編址的通用寄存器個(gè)數(shù)為23=8個(gè)。,2.4.1 兩種途徑和方向(CISC和RISC)為使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有更強(qiáng)的功能、更高的性能和更好的性能價(jià)格比，滿足應(yīng)用的需要，在機(jī)器指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、發(fā)展和改進(jìn)上有兩種不同的途徑和方向。,2.4 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn),2.4.2 按CISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng) 1. 面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn) 【例 2-9】 IBM公司曾對(duì)IBM 360系統(tǒng)上運(yùn)行的19個(gè)典型程序統(tǒng)計(jì)出幾種常用指令的使用頻度。,2. 面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)就是盡可能縮短高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距，支持高級(jí)語(yǔ)言編譯

21、，縮短編譯程序長(zhǎng)度和編譯時(shí)間。 如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)分優(yōu)化于一種高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，就會(huì)顯著降低與其語(yǔ)義結(jié)構(gòu)有較大差別的其他高級(jí)語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)效率?？梢园褭C(jī)器指令的語(yǔ)義和各種高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差距用結(jié)構(gòu)點(diǎn)間的“路長(zhǎng)”表示。如圖2 - 21所示。,圖 2 - 21 各種語(yǔ)言與傳統(tǒng)機(jī)器指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義差距,【例 2-10】 1972年設(shè)計(jì)的B-1700采用的就是“以高級(jí)語(yǔ)言為主，指令系統(tǒng)為從”的思路。工作前由操作系統(tǒng)根據(jù)所用的高級(jí)語(yǔ)言切換控制存儲(chǔ)器中所存的相應(yīng)的微程序，如圖2 - 22所示。,圖 2 - 22 B-1700具有多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總要設(shè)置對(duì)應(yīng)多種語(yǔ)言的多個(gè)編譯系統(tǒng)，因此解釋的分量雖然增加了， 卻

22、同時(shí)簡(jiǎn)化了多個(gè)編譯系統(tǒng)的翻譯過(guò)程，從總體看是合算的?？梢杂脵C(jī)器語(yǔ)言到高級(jí)語(yǔ)言的距離遠(yuǎn)近來(lái)表示語(yǔ)義差距的大小，如圖2 - 23 所示。,圖 2 - 23 各種語(yǔ)言的語(yǔ)義差距,3. 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)目前，操作系統(tǒng)幾乎占用了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源的1/3，有的甚至?xí)^(guò)1/2。,2.4.3 按RISC方向發(fā)展和改進(jìn)指令系統(tǒng)1. CISC的問(wèn)題隨著VLSI的迅速發(fā)展，為適應(yīng)對(duì)計(jì)算機(jī)日益廣泛的應(yīng)用需要，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，也為減少系統(tǒng)輔助開(kāi)銷，提高機(jī)器的運(yùn)行速度和效率，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一直在致力于研究進(jìn)一步縮短高級(jí)語(yǔ)言、操作系統(tǒng)、程序設(shè)計(jì)環(huán)境及應(yīng)用等與機(jī)器語(yǔ)言和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義差距，加強(qiáng)軟、硬件結(jié)合，為

23、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供更多、更好的硬件支持。,2. 設(shè)計(jì)RISC的基本原則針對(duì)CISC的問(wèn)題，D.Patterson等人提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的設(shè)想，通過(guò)精簡(jiǎn)指令來(lái)使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、合理、有效。他們提出了設(shè)計(jì)RISC應(yīng)遵循的一般原則。,3. 設(shè)計(jì)RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)(1) 按設(shè)計(jì)RISC的一般原則來(lái)設(shè)計(jì)。 (2) 邏輯實(shí)現(xiàn)采用硬聯(lián)和微程序相結(jié)合。 (3) 在CPU中設(shè)置大量工作寄存器并采用重疊寄存器窗口。 【例 2-11】 RISC 的CPU共有138個(gè)32位的工作寄存器，編號(hào)為0137。每個(gè)程序或過(guò)程可直接訪問(wèn)32個(gè)寄存器。如圖2 - 24所示。,圖 2 - 24 RISC 的重疊寄存器窗口,表2- 8 對(duì)比了RISC 與VAX-11、PDP-11、MC 68000在每次調(diào)用(CALL)和返回(RETURN)時(shí)所需要的輔助開(kāi)銷。特別是當(dāng)RISC中功能復(fù)雜的部分被設(shè)置成宏指令，然后通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)， 其調(diào)用、返回次數(shù)比CISC的有明顯增多，此時(shí)重疊寄存器窗口技術(shù)就顯得特別有用。,表 2 - 8 每次CALL/RETURN的開(kāi)銷,【例 2-12】 設(shè)A、A+1、B、B+1為主存單元，程序 取A，Ra; (A)Ra 存Ra，B