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计算机组成原理第五章

计算机组成原理第五章. 知识点二：指令设计及优化. 主讲教师：秦磊华. 问题引入. 指令是 “ 存储程序 ” 和 “ 程序控制 ” 的主体，如何设计指令能使冯诺依曼结构计算机既能有效实施 “ 程序控制 ” 功能，又能高效实现 “ 存储程序 ” ？. 学习建议.  系统观： 本知识点的学习要与控制器设计密切关联，尤其是操作码的扩展表示和指令中地址码的数量等都会直接影响到控制器的设计 。 构造观： 掌握指令格式及其优化设计的方法 。. 1. 指令设计的基本原则. 1) 完备性 : 够用 ; 2) 有效性 : 指令运行效率高 , 资源占用少 ;

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  1. 计算机组成原理第五章 知识点二：指令设计及优化 主讲教师：秦磊华

  2. 问题引入 指令是“存储程序”和“程序控制”的主体，如何设计指令能使冯诺依曼结构计算机既能有效实施“程序控制”功能，又能高效实现“存储程序”？ 学习建议 系统观：本知识点的学习要与控制器设计密切关联，尤其是操作码的扩展表示和指令中地址码的数量等都会直接影响到控制器的设计 。 构造观：掌握指令格式及其优化设计的方法。

  3. 1.指令设计的基本原则 1)完备性:够用; 2)有效性:指令运行效率高,资源占用少; 3)规整性:对多种寻址方式、多种数据类型的支持及与数据格式的一致性 4)兼容性：软件的移植。

  4. 操作码(OP) I Ad 2.指令格式设计 指令设计就是根据对指令数量、寻址方式、访问主存空间范围大小等设计要求，规划指令中操作码字段、地址码字段和寻址方式位字段，并根据需要对上述设计内容进行优化。

  5. 操作码(OP) I Ad 例1:某机字长16位，主存64KB，指令采用单字长单地址结构，要求至少能支持80条指令和直接、间接、相对、变址等四种寻址方式。请设计指令格式并计算每种寻址方式能访问的主存空间范围。 解：根据题意指令格式为： OP：7位 、I：2位、Ad: 7位 X=00，相对寻址： E=（PC）+Ad ,寻址范围64K ； X=01，变址寻址： E=（X）+Ad ， 寻址范围64K X=10，直接寻址： E = Ad ，寻址范围128； X=11，间接寻址： E =（Ad）， 寻址范围64K。

  6. 操作码(OP) I Ad 3.指令格式优化 1)操作码的常见优化方法 Huffman编码：OP长度与指令的使用频度关联，缩短操作码的平均长度； 扩展编码: 将操作码扩展到不用的地址码字段。 2)地址字段的常见优化方法 用间接寻址、变址、寄存器、寄存器间接寻址、隐含寻址等寻址方式缩短地址码长度。

  7. OP:4位 0000-1110 Ad1(6位) Ad1(6位) Ad1(6位) Ad1(6位) : 2地址指令最多15条 1111 000000-111111 Ad1(6位) 1111 100010-111111 000000-111111 例2:某指令系统指令字长16位，采单字长定长指令结构，每个地址码6位。若已设计二地址指令15条，一地址指令34条，则最多还可设计多少条零地址指令？ 解：根据题意可知该机指令字的结构为： : 1地址指令最多64条 0地址指令最多(64-34)×64条 = 1920条

  8. 4. MIPS指令简介 MIPS CPU是一种RISC结构的CPU,以下以MIPS32为例。 1)寄存器

  9. 2)MIPS指令格式 rs源操作数字段1,rt源操作数字段2,rd目的数字段； 采用等长指令结构，三种类型指令均位32位； 没有寻址方式字段,寻址方式包含在操作码中； 操作码字段长度固定为6位; R型指令 OP =000000,指令的功能由funct字段确定。

  10. 3)MIPS指令的寻址方式 R型指令：只有寄存器寻址； I型指令：立即数寻址、基址(偏移寻址)、相对寻址、寄存器寻址； J型指令：伪直接寻址。

  11. 知识点三 回顾 基本原则:完备性、有效性、规整性、兼容性； 指令设计：设计OP、I、Ad的位数； 指令格式优化：优化OP(扩展编码)、优化Ad(寻址方式)； MIPS指令：32寄存器、3种基本格式、寻址方式少。

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