第四章指令系統(tǒng)2

1、4.4 4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令和數(shù)據(jù)的尋址方式9 9、 堆棧尋址方式堆棧尋址方式v分寄存器堆棧、存儲(chǔ)器堆棧分寄存器堆棧、存儲(chǔ)器堆棧v以先進(jìn)后出原理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以先進(jìn)后出原理存儲(chǔ)數(shù)據(jù) v堆棧是一組能存儲(chǔ)和取出數(shù)據(jù)的暫堆棧是一組能存儲(chǔ)和取出數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)單元。很多計(jì)算機(jī)把存儲(chǔ)器時(shí)存儲(chǔ)單元。很多計(jì)算機(jī)把存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧。的一部分用作堆棧。v堆棧和其他形式的存儲(chǔ)器之間的差堆棧和其他形式的存儲(chǔ)器之間的差別就在于，它們對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法別就在于，它們對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法或?qū)ぶ贩椒ㄓ兴煌??；驅(qū)ぶ贩椒ㄓ兴煌堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)的一是數(shù)據(jù)的一種組織方式。種組織方式。v棧是

2、一種只能在叫做棧頂?shù)囊欢诉M(jìn)棧是一種只能在叫做棧頂?shù)囊欢诉M(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。行進(jìn)棧和出棧操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。v棧的主要特點(diǎn)是棧的主要特點(diǎn)是“后進(jìn)先出后進(jìn)先出”。v常用的堆棧結(jié)構(gòu)有：常用的堆棧結(jié)構(gòu)有：串聯(lián)堆棧串聯(lián)堆棧(硬件堆棧硬件堆棧)存儲(chǔ)器堆棧存儲(chǔ)器堆棧(軟件堆棧軟件堆棧)v一些計(jì)算機(jī)的一些計(jì)算機(jī)的CPU中有中有一組專(zhuān)門(mén)的寄存器，有一組專(zhuān)門(mén)的寄存器，有16個(gè)或更多，它們稱(chēng)為個(gè)或更多，它們稱(chēng)為串聯(lián)堆棧串聯(lián)堆棧，其中每一個(gè)，其中每一個(gè)寄存器能保存一個(gè)字的寄存器能保存一個(gè)字的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。v串聯(lián)堆棧存在一些限制串聯(lián)堆棧存在一些限制:v一是一是寄存器的數(shù)目一般是有限的寄存器的數(shù)目一般是有限的

3、。如堆。如堆棧有棧有8 8個(gè)寄存器，那么把多于個(gè)寄存器，那么把多于8 8個(gè)的數(shù)據(jù)個(gè)的數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí)壓入堆棧時(shí),“,“老老”的數(shù)據(jù)就從棧底壓的數(shù)據(jù)就從棧底壓出并被丟失。出并被丟失。v二是堆棧的讀出是破壞性的。當(dāng)從堆棧二是堆棧的讀出是破壞性的。當(dāng)從堆棧取出一個(gè)數(shù)時(shí)，它就不能再在堆棧中存取出一個(gè)數(shù)時(shí)，它就不能再在堆棧中存在。在。v存儲(chǔ)器堆棧的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：存儲(chǔ)器堆棧的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：v堆棧能夠具有程序員要求的任意長(zhǎng)度；堆棧能夠具有程序員要求的任意長(zhǎng)度；v只要程序員喜歡，愿意建立多少堆棧，只要程序員喜歡，愿意建立多少堆棧，就能建立多少堆棧；就能建立多少堆棧；v可以用對(duì)存儲(chǔ)器尋址的任何一條指令來(lái)可以用對(duì)存儲(chǔ)器尋址

4、的任何一條指令來(lái)對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。v存儲(chǔ)器堆棧的缺點(diǎn)：存儲(chǔ)器堆棧的缺點(diǎn)：v進(jìn)出棧的操作實(shí)質(zhì)上是對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)進(jìn)出棧的操作實(shí)質(zhì)上是對(duì)內(nèi)存的讀寫(xiě)操作；操作；v進(jìn)出棧的操作要由多條指令完成；進(jìn)出棧的操作要由多條指令完成；v棧滿(mǎn)與棧空的判別也要由軟件來(lái)完成。棧滿(mǎn)與棧空的判別也要由軟件來(lái)完成。v在存儲(chǔ)器類(lèi)型的堆棧中，需要一在存儲(chǔ)器類(lèi)型的堆棧中，需要一個(gè)個(gè)堆棧指示器堆棧指示器，它是，它是CPUCPU中一個(gè)專(zhuān)中一個(gè)專(zhuān)用的寄存器。堆棧指示器指定的用的寄存器。堆棧指示器指定的存儲(chǔ)器單元，就是堆棧的棧頂。存儲(chǔ)器單元，就是堆棧的棧頂。 在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，把主存儲(chǔ)，把主

5、存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧區(qū)。一旦設(shè)器的一部分用作堆棧區(qū)。一旦設(shè)定堆棧區(qū)后，這一部分就不能用定堆棧區(qū)后，這一部分就不能用作其他用途。作其他用途。v當(dāng)建立存儲(chǔ)器堆棧時(shí)，可用程序當(dāng)建立存儲(chǔ)器堆棧時(shí)，可用程序來(lái)設(shè)置。把一個(gè)主存地址送入堆來(lái)設(shè)置。把一個(gè)主存地址送入堆棧指示器，就可確定堆棧的頂。棧指示器，就可確定堆棧的頂。在存儲(chǔ)器堆棧中，數(shù)據(jù)的壓入或在存儲(chǔ)器堆棧中，數(shù)據(jù)的壓入或取出操作，通常也是使用取出操作，通常也是使用“進(jìn)棧進(jìn)棧”指令和指令和“出棧出?！敝噶顏?lái)實(shí)現(xiàn)的，指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是指令的功能和串聯(lián)堆棧中的但是指令的功能和串聯(lián)堆棧中的情況有所不同。情況有所不同。 v（A A）Msp Msp ，（，（SP

6、SP）1SP1SPv（SPSP）1SP1SP，（，（MspMsp） v存儲(chǔ)器堆棧中，進(jìn)棧時(shí)先存入數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器堆棧中，進(jìn)棧時(shí)先存入數(shù)據(jù)，后修改堆棧指示器；出棧時(shí)，先修改后修改堆棧指示器；出棧時(shí)，先修改堆棧指示器，然后取出數(shù)據(jù)。堆棧指示器，然后取出數(shù)據(jù)。 (P60-8)vMOV 001010vSTO 011011vLAD 111100v11110000 11110001 00111100 11010010v00101000 01010110v01101111 11010110v00000001 110000101.1.數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令2.2.算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令3.3.邏輯運(yùn)算指令邏輯

7、運(yùn)算指令4.4.程序控制指令程序控制指令5.5.輸入輸出指令輸入輸出指令 6.6.字符串處理指令字符串處理指令7.7.特權(quán)指令特權(quán)指令8.8.其他指令其他指令 這類(lèi)指令用以實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器這類(lèi)指令用以實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)器單元與存儲(chǔ)器單元之與存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)器單元與存儲(chǔ)器單元之間的數(shù)據(jù)傳送間的數(shù)據(jù)傳送;數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，而源地址中的數(shù)據(jù)保持不變，因此實(shí)際上是而源地址中的數(shù)據(jù)保持不變，因此實(shí)際上是數(shù)據(jù)復(fù)制數(shù)據(jù)復(fù)制;數(shù)據(jù)傳送指令一次可以傳送一個(gè)數(shù)據(jù)或一批數(shù)據(jù)傳送指令一次可以傳送一個(gè)數(shù)據(jù)或一批數(shù)據(jù)數(shù)據(jù);有

8、些機(jī)器設(shè)置了數(shù)據(jù)交換指令，完成源操作有些機(jī)器設(shè)置了數(shù)據(jù)交換指令，完成源操作數(shù)與目的操作數(shù)互換，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。數(shù)與目的操作數(shù)互換，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。一般計(jì)算機(jī)都具有這類(lèi)指令。早期的低檔微一般計(jì)算機(jī)都具有這類(lèi)指令。早期的低檔微型機(jī)，要求價(jià)格便宜，硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，型機(jī)，要求價(jià)格便宜，硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，支持的算術(shù)運(yùn)算指令就較少，一般只支持二支持的算術(shù)運(yùn)算指令就較少，一般只支持二進(jìn)制加、減法、比較和求補(bǔ)碼進(jìn)制加、減法、比較和求補(bǔ)碼(取負(fù)數(shù)取負(fù)數(shù))等最等最基本的指令；基本的指令；而其他計(jì)算機(jī)，由于要兼顧性能和價(jià)格兩方而其他計(jì)算機(jī)，由于要兼顧性能和價(jià)格兩方面因素，還設(shè)置乘、除法運(yùn)算指令。面因素，還設(shè)置

9、乘、除法運(yùn)算指令。通常根據(jù)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果置狀態(tài)位，一般有通常根據(jù)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果置狀態(tài)位，一般有Z(結(jié)果為結(jié)果為0)、N(結(jié)果為負(fù)結(jié)果為負(fù))、V(結(jié)果溢出結(jié)果溢出)、C(產(chǎn)生進(jìn)位或借位產(chǎn)生進(jìn)位或借位)四個(gè)狀態(tài)位。當(dāng)滿(mǎn)足括四個(gè)狀態(tài)位。當(dāng)滿(mǎn)足括弧內(nèi)所提出的條件時(shí)，相應(yīng)位置成弧內(nèi)所提出的條件時(shí)，相應(yīng)位置成“1”，否，否則為則為“0”。 通常計(jì)算機(jī)具有對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行與、通常計(jì)算機(jī)具有對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行與、或、非或、非(求反求反)、異或、異或(按位加按位加)等等操作的邏輯運(yùn)算指令。有些計(jì)算操作的邏輯運(yùn)算指令。有些計(jì)算機(jī)還設(shè)置有位操作指令，如位測(cè)機(jī)還設(shè)置有位操作指令，如位測(cè)試試(測(cè)試指定位的值測(cè)試指定位的值)、位清

10、除、位清除(把把指定位清零指定位清零)、位求反、位求反(取某位的取某位的反值反值)指令等。指令等。 無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令 條件轉(zhuǎn)移指令（根據(jù)狀態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)條件轉(zhuǎn)移指令（根據(jù)狀態(tài)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移）行轉(zhuǎn)移） 轉(zhuǎn)子程序指令轉(zhuǎn)子程序指令 返回主程序指令返回主程序指令 中斷返回指令中斷返回指令 轉(zhuǎn)移指令分為絕對(duì)轉(zhuǎn)移和相對(duì)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移指令分為絕對(duì)轉(zhuǎn)移和相對(duì)轉(zhuǎn)移計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的程序的程序(除了固化在除了固化在ROM中的以外中的以外)均來(lái)均來(lái)自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過(guò)外自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過(guò)外部設(shè)備輸出。部設(shè)備輸出。有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)

11、備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的方法把外部設(shè)備寄存器看成是存編址的方法把外部設(shè)備寄存器看成是存儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令均可訪問(wèn)外部設(shè)備，因此不再專(zhuān)設(shè)令均可訪問(wèn)外部設(shè)備，因此不再專(zhuān)設(shè)IO指令。指令。計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的程序的程序(除了固化在除了固化在ROM中的以外中的以外)均來(lái)均來(lái)自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過(guò)外自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過(guò)外部設(shè)備輸出。部設(shè)備輸出。有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的方法把外部設(shè)備寄存器看成是存編址的方

12、法把外部設(shè)備寄存器看成是存儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令均可訪問(wèn)外部設(shè)備，因此不再專(zhuān)設(shè)令均可訪問(wèn)外部設(shè)備，因此不再專(zhuān)設(shè)IO指令。指令。某些指令使用不當(dāng)會(huì)破壞系統(tǒng)或其他用戶(hù)信息，某些指令使用不當(dāng)會(huì)破壞系統(tǒng)或其他用戶(hù)信息，因此為了安全起見(jiàn)，這類(lèi)指令只能用于操作系統(tǒng)因此為了安全起見(jiàn)，這類(lèi)指令只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶(hù)使用，稱(chēng)為特或其他系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶(hù)使用，稱(chēng)為特權(quán)指令。權(quán)指令。一般來(lái)說(shuō)，在單用戶(hù)、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)中不一定一般來(lái)說(shuō)，在單用戶(hù)、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)中不一定需要特權(quán)指令，而在多用戶(hù)、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系需要特權(quán)指令，而在多用戶(hù)、多任務(wù)

13、的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，特權(quán)指令卻是必不可少的。它主要用于系統(tǒng)中，特權(quán)指令卻是必不可少的。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理，包括改變系統(tǒng)的工作方式、統(tǒng)資源的分配和管理，包括改變系統(tǒng)的工作方式、檢測(cè)用戶(hù)的訪問(wèn)權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段檢測(cè)用戶(hù)的訪問(wèn)權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表、頁(yè)表和完成任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。表、頁(yè)表和完成任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。在某些多用戶(hù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了統(tǒng)一管理所在某些多用戶(hù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了統(tǒng)一管理所有的外部設(shè)備，輸入輸出指令也作為特權(quán)指令，有的外部設(shè)備，輸入輸出指令也作為特權(quán)指令，不允許用戶(hù)直接使用。需輸入輸出時(shí)，可通過(guò)系不允許用戶(hù)直接使用。需輸入輸出時(shí)，可通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用，由操作

14、系統(tǒng)來(lái)完成。統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)來(lái)完成。等待指令等待指令停機(jī)指令停機(jī)指令空操作指令空操作指令開(kāi)中斷、關(guān)中斷開(kāi)中斷、關(guān)中斷狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令測(cè)試指令測(cè)試指令向量指令向量指令多處理機(jī)指令多處理機(jī)指令早期早期CISC設(shè)計(jì)風(fēng)格的主要特點(diǎn)：設(shè)計(jì)風(fēng)格的主要特點(diǎn)：v指令系統(tǒng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)在指令數(shù)多、尋址指令系統(tǒng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)在指令數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。方式多、指令格式多。v絕大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能執(zhí)行完絕大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能執(zhí)行完成。成。v各種指令都可訪問(wèn)存儲(chǔ)器。各種指令都可訪問(wèn)存儲(chǔ)器。v采用微程序控制。采用微程序控制。v有專(zhuān)用寄存器。有專(zhuān)用寄存器。v難

15、以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序。難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序。vRISCRISC指令系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是：指令系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是：選取使用選取使用頻率最高頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令，指的一些簡(jiǎn)單指令，指令條數(shù)少；令條數(shù)少；指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類(lèi)少；指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類(lèi)少；只有取數(shù)存數(shù)指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其余只有取數(shù)存數(shù)指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。RISC技術(shù)的主要特征：技術(shù)的主要特征：v 簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)。表現(xiàn)在指令數(shù)較少、基本尋址方式簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)。表現(xiàn)在指令數(shù)較少、基本尋址方式少、指令格式少、指令字長(zhǎng)度一致。少、指令格式少、指令字長(zhǎng)

16、度一致。v 以寄存器寄存器方式工作。以寄存器寄存器方式工作。v 以流水方式工作，從而可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢。以流水方式工作，從而可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢。v 使用較多的通用寄存器以減少訪存，不設(shè)置或少設(shè)置使用較多的通用寄存器以減少訪存，不設(shè)置或少設(shè)置專(zhuān)用寄存器。專(zhuān)用寄存器。v 采用由陣列邏輯實(shí)現(xiàn)的組合電路控制器，不用或少用采用由陣列邏輯實(shí)現(xiàn)的組合電路控制器，不用或少用微程序。微程序。v 采用優(yōu)化編譯技術(shù)，保證流水線暢通，對(duì)寄存器分配采用優(yōu)化編譯技術(shù)，保證流水線暢通，對(duì)寄存器分配進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行優(yōu)化。1. RISC的產(chǎn)生的產(chǎn)生 1975年年IBM公司開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的合公司開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的

17、合理性問(wèn)題，理性問(wèn)題，IBM的的Johncocke提出精簡(jiǎn)指提出精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法。后來(lái)美國(guó)加州令系統(tǒng)的想法。后來(lái)美國(guó)加州伯克萊伯克萊大大學(xué)的學(xué)的RISC I和和RISC機(jī)、斯坦福大學(xué)的機(jī)、斯坦福大學(xué)的MIPS機(jī)的研究成功，為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)機(jī)的研究成功，為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)算機(jī)(reduced instruction set computer，簡(jiǎn)稱(chēng)簡(jiǎn)稱(chēng)RISC)的誕生與發(fā)展起了很大作用。的誕生與發(fā)展起了很大作用。v 對(duì)對(duì)CISC進(jìn)行測(cè)試表明，各種指令的使用頻進(jìn)行測(cè)試表明，各種指令的使用頻率相差懸殊，率相差懸殊，最常使用的是一些比較簡(jiǎn)單的指最常使用的是一些比較簡(jiǎn)單的指令，僅占指令總數(shù)的令，僅占指

18、令總數(shù)的20，但在程序中出現(xiàn)的，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占頻率卻占80。而較少使用的占指令總數(shù)而較少使用的占指令總數(shù)20的復(fù)雜指令，的復(fù)雜指令，為了實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的代碼卻占總代碼的80。v 復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本(例如，開(kāi)發(fā)例如，開(kāi)發(fā)32位微處理器位微處理器80386用了三年多時(shí)間、投資一億用了三年多時(shí)間、投資一億五千萬(wàn)美元五千萬(wàn)美元)以及設(shè)計(jì)失誤的可能性以及設(shè)計(jì)失誤的可能性，而且，而且 由于由于復(fù)雜指令需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，與功能較簡(jiǎn)單

19、復(fù)雜指令需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，與功能較簡(jiǎn)單的指令同時(shí)存在于一個(gè)機(jī)器中，的指令同時(shí)存在于一個(gè)機(jī)器中，很難實(shí)現(xiàn)流水很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，從而降低了機(jī)器的速度。線操作，從而降低了機(jī)器的速度。v 另外還難以將基于另外還難以將基于CISC技術(shù)的高檔微技術(shù)的高檔微型機(jī)的全部硬件集成在一個(gè)芯片上或?qū)⒋蟆⑿蜋C(jī)的全部硬件集成在一個(gè)芯片上或?qū)⒋?、中型機(jī)的中型機(jī)的CPU裝配在一塊板上裝配在一塊板上，而對(duì)電路，而對(duì)電路的延遲時(shí)間來(lái)講，芯片內(nèi)部、芯片之間與的延遲時(shí)間來(lái)講，芯片內(nèi)部、芯片之間與插件板之間的電路，其延遲時(shí)間差別很大，插件板之間的電路，其延遲時(shí)間差別很大，這也會(huì)影響這也會(huì)影響CISC的速度。的速度。v 由于以上原

20、因，終于產(chǎn)生了不包含復(fù)雜由于以上原因，終于產(chǎn)生了不包含復(fù)雜指令的指令的RISC。2RISC的發(fā)展的發(fā)展v1983年以后，一些中、小型公司開(kāi)始推出年以后，一些中、小型公司開(kāi)始推出RISC產(chǎn)品產(chǎn)品，由于它具有高性能價(jià)格比，市場(chǎng)占有率不斷提高。由于它具有高性能價(jià)格比，市場(chǎng)占有率不斷提高。v1987年年SUN微系統(tǒng)公司用微系統(tǒng)公司用SPARC芯片構(gòu)成工作站，從芯片構(gòu)成工作站，從而使其工作站的銷(xiāo)售量居于世界首位而使其工作站的銷(xiāo)售量居于世界首位。當(dāng)前一些大公司，如當(dāng)前一些大公司，如IBM，DEC，Intel，Motorola等都將其部分力量轉(zhuǎn)到等都將其部分力量轉(zhuǎn)到RISC方面來(lái)，方面來(lái)，RISC已成為當(dāng)前

21、計(jì)算機(jī)發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。v一些發(fā)展較早的大公司轉(zhuǎn)向一些發(fā)展較早的大公司轉(zhuǎn)向RISC是很不容易的，因?yàn)槭呛懿蝗菀椎?，因?yàn)镽ISC與與CISC指令系統(tǒng)不兼容指令系統(tǒng)不兼容，因此他們?cè)谝虼怂麄冊(cè)贑ISC上開(kāi)發(fā)的大上開(kāi)發(fā)的大量軟件如何轉(zhuǎn)到量軟件如何轉(zhuǎn)到RISC平臺(tái)上來(lái)是首先要考慮的；而且這些公司的平臺(tái)上來(lái)是首先要考慮的；而且這些公司的操作系統(tǒng)專(zhuān)用性強(qiáng)，又比較復(fù)雜，更給軟件的移植帶來(lái)了困難。操作系統(tǒng)專(zhuān)用性強(qiáng)，又比較復(fù)雜，更給軟件的移植帶來(lái)了困難。v而像而像SUN微系統(tǒng)公司，以微系統(tǒng)公司，以UNIX操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，軟操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，軟件移植比較容易，因此它的工

22、作站的重點(diǎn)很快從件移植比較容易，因此它的工作站的重點(diǎn)很快從CISC(用用68020微處理器微處理器)轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到RISC(用用SPARC徽處理器徽處理器)。v從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)講，從技術(shù)發(fā)展的角度來(lái)講，CISC技術(shù)已很難再技術(shù)已很難再有突破性的大進(jìn)展，要想大幅度提高性能價(jià)格比有突破性的大進(jìn)展，要想大幅度提高性能價(jià)格比也已很困難。而也已很困難。而RISC技術(shù)是在技術(shù)是在CISC基礎(chǔ)上發(fā)展基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，且發(fā)展勢(shì)頭正猛。正因?yàn)榭吹竭@一點(diǎn)，起來(lái)的，且發(fā)展勢(shì)頭正猛。正因?yàn)榭吹竭@一點(diǎn)，在在CISC市場(chǎng)上占有率最高的市場(chǎng)上占有率最高的Intel公司和公司和Motorola公司也進(jìn)軍公司也進(jìn)軍RISC領(lǐng)域

23、。領(lǐng)域。IBM、Motorola和和Apple聯(lián)合發(fā)展聯(lián)合發(fā)展PowerPC芯片，芯片，HP和和Intel聯(lián)合開(kāi)發(fā)代號(hào)為聯(lián)合開(kāi)發(fā)代號(hào)為Merced的微處理器芯片。的微處理器芯片。v精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的著眼點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地放精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的著眼點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地放在簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)上，而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令使計(jì)在簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)上，而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高運(yùn)算速算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高運(yùn)算速度。度。v計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可用下式表可用下式表示示: P=I CPI T 其中其中I是高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令是高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行

24、的指令數(shù)，數(shù)，CPI為執(zhí)行每條指令所需的平均周期數(shù)，為執(zhí)行每條指令所需的平均周期數(shù)，T是是每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。 由于由于RISC指令比較簡(jiǎn)單，原指令比較簡(jiǎn)單，原CISC機(jī)中比機(jī)中比較復(fù)雜的指令在這里用于程序來(lái)代替，因此較復(fù)雜的指令在這里用于程序來(lái)代替，因此RISC的的I要比要比CISC多多20一一40。但是。但是RISC的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)(80年代年代)，所以，所以CPI的值要比的值要比CISC小得多。小得多。同時(shí)因?yàn)橥瑫r(shí)因?yàn)镽ISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以完成一個(gè)操結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以完成一個(gè)操作所經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)通路較短，使得了值大為減作所經(jīng)過(guò)的

25、數(shù)據(jù)通路較短，使得了值大為減少。后來(lái)，少。后來(lái)，RISC的硬件結(jié)構(gòu)有很大改進(jìn)，的硬件結(jié)構(gòu)有很大改進(jìn)，一個(gè)機(jī)器周期平均可完成一個(gè)機(jī)器周期平均可完成1條以上指令，甚條以上指令，甚至可達(dá)到幾條指令。至可達(dá)到幾條指令。解：解：假設(shè)：（假設(shè)：（P90）存儲(chǔ)器模塊字長(zhǎng)等于數(shù)據(jù)總線寬度；存儲(chǔ)器模塊字長(zhǎng)等于數(shù)據(jù)總線寬度；模塊存取一個(gè)字的存儲(chǔ)周期等于模塊存取一個(gè)字的存儲(chǔ)周期等于T T；總線傳送周期為總線傳送周期為； ；交叉存儲(chǔ)器的模塊數(shù)為交叉存儲(chǔ)器的模塊數(shù)為m m。T= m交叉存儲(chǔ)器要求其模塊數(shù)m，以保證啟動(dòng)某模塊后經(jīng)m時(shí)間再次啟動(dòng)該模塊時(shí)，它的上次存取操作已經(jīng)完成。這樣連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為：（1）交叉存儲(chǔ)

26、器為實(shí)現(xiàn)流水方式存儲(chǔ)，即每經(jīng)過(guò)時(shí)間延時(shí)后啟動(dòng)下一模塊，應(yīng)滿(mǎn)足：t t1 1=T+( m-1)=T+( m-1)=m=m+m+m- -=(2m-1)=(2m-1)(2)(2)順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取m m個(gè)字所需時(shí)個(gè)字所需時(shí)間為間為 t t2 2=mm=mm=m=m2 2存儲(chǔ)器帶寬為存儲(chǔ)器帶寬為比較可知比較可知W W1 1WW2 2故存儲(chǔ)器帶寬為：故存儲(chǔ)器帶寬為：W W1 1= = =1 11 1t t1 1 (2m-1) (2m-1)W W2 2= = =1 11 1t t2 2 m m2 2A0-A20為片內(nèi)地址；為片內(nèi)地址；用用4片為一組進(jìn)行位擴(kuò)展，構(gòu)成片為一組進(jìn)行位擴(kuò)展，構(gòu)成2M32位；位；用用4組進(jìn)行字?jǐn)U展，構(gòu)成組進(jìn)行字?jǐn)U展，構(gòu)成8M32位；位；用用A21和和A22經(jīng)經(jīng)2：4譯碼器產(chǎn)生各組的片選信號(hào)譯碼器產(chǎn)生各組的片選信號(hào)解：解：可采用多體交叉存取方案，即將主存可采用多體交叉存取方案，即將主存分成分成8個(gè)相互獨(dú)立、容量相同的模塊個(gè)相互獨(dú)立、容量相同的模塊M0，M1，M2，M M7，每個(gè)模塊，每個(gè)模塊32M32M32位。它們各自具備一套地址寄存器、數(shù)據(jù)位。它們各自具備一套地址寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器，各自以等同的方式與緩沖寄存器，各自以等同的方式與CPU傳傳遞信息。遞信息。0819715CPU存儲(chǔ)器控制器