第4章指令系统.pdf

### 指令系统的发展与性能要求 #### 一、指令系统的定义与发展 - **定义**：指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合，它不仅反映了计算机的基本功能，还直接关系到计算机的硬件结构和用户需求。 - **发展过程**： - **50年代**：指令系统相对简单，主要包括定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等十几到几十条指令。 - **60年代后期**：指令系统显著增加，新增了乘除运算、浮点运算、十进制运算和字符串处理等功能，指令数目可达一两百条，并且寻址方式更加多样化。 - **60年代末期**：开始出现系列计算机，即基本指令系统和体系结构相同的一系列计算机。这种计算机的不同型号在结构和性能上有所差异，但能够在新的机型上无缝运行旧机型上的软件。 - **70年代末期**：大多数计算机指令系统变得非常庞大，拥有几百条指令，被称为复杂指令系统计算机(CISC)。然而，庞大的指令系统带来了维护困难等问题，因此提出了精简指令系统计算机(RISC)的概念，旨在简化指令集以适应VLSI技术的需求。 #### 二、指令系统的分类 - **微指令**：属于硬件级别，用于控制硬件部件的工作流程。 - **宏指令**：属于软件级别，由一系列机器指令组成，用于简化编程。 - **机器指令**：位于微指令和宏指令之间，每条指令可以完成一个独立的算术或逻辑操作。 #### 三、指令系统的性能要求 - **完备性**：指令系统应当足够丰富和全面，使得程序员无需通过软件来实现特定功能。 - **有效性**：指令系统应当确保编写的程序能够高效运行，即占用较少的存储空间并快速执行。 - **规整性**：指令系统应该具有良好的对称性和一致性，例如所有寄存器和存储单元都能够被同等对待，所有寻址方式均可使用，以及指令长度和数据长度之间存在一定的关联。 - **兼容性**：系列计算机中的不同型号应当保持指令级别的兼容性，即低档次的计算机程序可以在高档次的计算机上运行。 #### 四、指令系统的设计要素 - **操作类型**：描述指令的具体内容和功能，例如加法操作、存储器访问等。 - **操作数位置**：指示参与操作的数据存储位置，可以是寄存器、存储单元或直接嵌入在指令中。 - **结果位置**：指示运算结果的存储位置。 - **下一条指令地址**：指示获取下一条指令的地址信息。 #### 五、低级语言与硬件结构的关系 - **高级语言**：如C、FORTRAN等，其语法与具体的机器指令无关，可以通过编译器转换为机器语言。 - **低级语言**：包括机器语言和汇编语言，直接对应特定机器的指令集。汇编语言依赖于具体的硬件结构和指令系统，因此在不同类型的机器上编写的程序通常无法直接移植。 - **高级语言的优势与局限性**：虽然高级语言与具体的硬件结构无关，但在编写直接访问硬件资源的系统软件或设备控制软件时存在局限性。为了解决这个问题，一些高级语言提供了与汇编语言之间的接口。 #### 六、指令格式 - **操作码**：操作码字段用于表征指令的操作特性和功能。 - **地址码**：地址码字段用于指定参与操作的操作数的位置，包括操作数存储位置和结果存储位置。 通过以上分析，我们可以看出指令系统的设计对于计算机系统的性能有着至关重要的作用。它不仅影响着计算机硬件的设计，还直接影响到软件的编写和运行效率。随着技术的发展，指令系统的优化和完善仍然是计算机科学领域研究的重要方向之一。