指令系统的设计对系统的影响

指令系统的设计对系统的影响

指令集系统结构指的是程序员可见的实际指令集，计算机硬件的语言系统，也叫机器

语言，它是软件和硬件的主要界面,从系统结构的角度看，它是系统程序员看到的计算机

的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能打算了机器所要求的力量,也打算了

指令的格式和机器的结构。

大多数的指令集结构所支持的操作类型有8种，即算术规律运算、数据传输、转移掌握、

系统管理、浮点运算、十进制数运算操作、字符串操作运算、图形操作等。在各种指令集

结构中对系统功能的支持程度会随着结构的不同而有较大的差异，但都必需对基本的系统

功能供应一些指令支持。

指令系统的性能打算了计算机的基本功能，它的设计直接关系到计算机的硬件结构和

用户的需要。一个完善的指令系统应满意如下四方面的要求：

完整性：具有做为通用计算机系统所应当具备的基本指令种类；用汇编语言编写各种

程序时，指令系统直接供应的指令足够使用，而不必用软件来实现。完整性要求指令系统

丰富、功能齐全、使用便利。

规整性：包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的全都性。对称性是

指：在指令系统中全部的寄存器和存储器单元都可同等对待，全部的指令都可使用各种寻

址方式；匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；指令格式和数据格式

的全都性是指：指令长度和数据长度有肯定的关系，以便利处理和存取。

高效率：采用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行，指令的执行速度快，使用

频度要高。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

兼容性：至少要能做到"向上兼容"，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

一种指令集结构究竟支持哪种类型的操作，解决问题有两种截然不同的方法。一个是

强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移,基于该方向的指令集结构而设计实现的计

算机系统成为简单指令集计算机（CISCX另一种是20世纪810年月进展起来的精简指令集

计算机（RISC）,其目的是尽可能地降低指令集结构的简单性，以达到简化实现，提高性

能的目的。CISC结构和RISC结构的主要区分之一就在于其指令的功能强弱。

CISC指令集结构的功能设计：

一般来说，CISC结构追求的目标是强化指令功能，削减程序的指令条数，以达到提高

性能的目的。其是指令种类丰富，指令功能强大、绝大多数常用功能均可由硬件实现的指

令系统。增加机器的指令功能可从以下几个方面考虑。

1）面对目标程序增力由旨令功能：假如增加适用频率高的指令或者指令串，并加快其执

行，或者将常用的指令串用一条新的指令来替代，不但可以削减目标程序存取指令的次数,

加快目标程序的执行，而且也将有效地削减程序代码的长度。面对目标程序增加指令功能

主要可采用如下方法：①提高运算型追令功能；②提高传送指令功能；③增加程序掌握指

令功能。

2）面对高级语言和编译程序改进指令系统:由于高级语言和机器语言有较大的语义差

距，使得经编译程序形成的目标程序往往比直接用机器语言编写的程序要长，需要更多的

运行时间.此外，在用户城西编译和运行的过程中，编译程序也可能通不过，这时再由目

标程序往回查找源程序的错误则极为困难。因此，可以考虑面对高级语言和编译程序的优

化来改进指令系统。①增加对高级语言和编译系统支持的指令；②高级语言计算机指令系

统；③面对操作系统的优化实现改进指令系统。

简单指令系统(CISC)的优化设计

1)目标程序的优化

*优化目标：缩短程序长度，削减程序的空间开销；(2)缩短程序的执行时间，削减程

序的时间开销；

*优化途径：(1)增加传送指令的功能；(2)增加运算类指令的功能；(3)增加程序

掌握指令的功能；

2)增加指令系统对高级语言和编译程序的支持；

3)优化操作系统的则。

RISC指令集结构的功能设计：

CISC存在的问题：

(1)在实际中指令的使用存在20%与80%规律；

(2)CISC的掌握规律简单、不规整，给VLSI的工艺实现带来了极大的困难，而RISC

的掌握规律简洁规整，正好适应了VLSI工艺的规整性要求。

(3)CISC中通过增加指令系统的功能，简化了软件，增加了硬件的简单度，是指令

的执行周期变长，从而可能使整个程序的执行时间变长，而RISC则尽量缩短指令的平均

执行周期。

(4)CISC计算机结构指令系统的简单性带来了计算机体系结构的简单性，这不仅增

加了研制时间和成本,还简洁造成设计错误。

(5)在CISC计算机结构的指令系统中,由于各条指令的功能不均衡性,不利于采纳

先进的计算机系统结构技术来提高系统的性能。

为了克服CISC计算机结构的缺点，使计算机体系结构更加简洁、合理和高效。机器

速度更快，程序运行时间缩短，提高计算机体系的性能，便提出了RISC计算机。只保留

使用频度较高、功能简洁，能在一个节拍内完成的指令，对于较简单的功能尽量用一段子

程序实现的指令系统，称为RISC.RISC计算机指令集结构的功能设计的基本原则有：①

选取适用频率高的指令，病补充一些最有用的指令；②每条指令的适用应尽可能简洁，并

在一个周期内完成；③全部指令长度应相同；④只有LOAD和STORE操作指令才访问存

储器，其他指令操作均在寄存器之间进行。⑤以简洁有效的方式支持高级语言。

RISC思想的主要特点：

(1)使绝大多数指令在单周期内完成；

(2)采纳LOAD