第二章 计算机指令集结构 指令集结构是系统结构的主要内容之一，其功能设计实际上就是确定软/硬件功能分配。 本章主要介绍CISC和RISC指令集结构的功能设计，重点学习典型的RISC指令集结构：MIPS。 其余内容要求自学。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 计算机系统结构设计思想的转变 1. CISC的设计思想 由于软硬件的局限，特别是存储器，当初人们普遍认为计算机的指令越丰富越好。在R-R，R-M，M-M三种指令中，M-M被认为效率最高！ 工艺技术发展后，问题出现了。 M-M指令在一条指令中就实现了数据间运算,不必再使用读入、写回指令。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 2. CISC指令系统的问题 1）20%与80%定律： 2）编译难度的增加和译码时间的延长 一个指令系统中大约20%的指令是经常被使用的，所占比例约为全部程序的80%；而剩下的80%指令很少被用到，只占全部程序的20%。把大量不经常使用的复杂指令设计在微程序控制器中，增加了控制器的设计难度。 2）编译难度的增加和译码时间的延长 单纯通过增加指令的复杂性已不能再提高程序的执行速度了。 3）VLSI技术进步提供的机遇 CPU内部只用布线逻辑可以实现基本指令控制。VLSI对规整的电路设计和制作特别有利。有利于增加大量寄存器。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 二. RISC计算机 1. RISC的特点： 1）精简指令系统及其结构，仅保留使用频率高的指令。 2）不设（或尽量少用）微程序控制器，由硬连逻辑直接译码。 3）使用大量的通用寄存器。 4）由于精简指令系统一般是由频率高的简单指令组成。易于实现优化编译和流水线技术。

2. RISC计算机与CISC计算机的比较 CISC RISC 特征 IBM 370 VAX 11 INTEL 80486 SPARC MIPS R4000 开发年份 1973 1978 1989 1987 1991 指令数量 208 304 235 75 94 指令长(B) 2-6 2-57 1-11 4 寻址方式 24 3 通用 寄存器 16 8 120-136 32 控制 存储器 420 KB 480 246 — Cache (KB) 64 128 指令数量明显减少，长度等长。利于流水线的设计和工作效率提高。使绝大部分指令都能在1个时钟周期内执行完成--这是RISC技术的一个基本的目标。 简化寻址方式。 和存储器相关的指令只有LOAD/STORE。 取消控制存储器。改用硬连布线逻辑。空出的物理地方正好放大量的寄存器。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 CISC与RISC计算机的在程序执行时间上的比较 类型 指令条数I 指令平均周期数CPI 周期时间T CISC 1 2-15 33ns-5ns RISC 1.3-1.4 1.1-1.4 10ns-2ns 综合3个因素，RISC的运算速度要比CISC快约3倍。其中的关键是CPI的下降。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 三. CISC和RISC的应用发展 1. IBM公司在1975年成功开发出第一款RISC处理器，从此RISC架构开始走进超级计算机中。除了IBM的Power和PowerPC 外，还有DEC的Alpha、SUN的SPARC、HP的PA-RISC、MIPS技术公司的 MIPS、ARM公司的ARM等等。 2. CISC却在PC上获得新生，微软与Intel唱起了“双黄戏”，一唱一合，顽固坚持CISC路线，搞X86处理器，为了保持软件兼容，PC必须一直延续X86架构无法脱离。（Windows系列+Intel X86系列）。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 3. 发展RISC PC的只有苹果公司，它们的全系列PC都基于IBM的 PowerPC指令架构。但在2006年也开始转用Intel的处理器（x86架构） 。 4. 2011年1月，微软公司同ARM公司（全世界几乎所有的智能手机和平板电脑设备微处理器，包括iPhone和iPad的，都由ARM设计）合作决定其下一代Windows操作系统以ARM微处理器（RISC架构）的设计 5. 在Pentium品牌推出后，英特尔开始逐渐在x86中引入RISC的设计思想。他表面上接受CISC指令，实际上通过译码器转化成RISC。借助PC市场上攫取的巨额利润，英特尔开始疯狂提升x86处理器的性能。于是，在服务器和超级计算机市场上，英特尔的Xeon品牌开始逐渐发力，性能和当时的RISC处理器相比已不落下风甚至略有胜出。

2.1 CISC计算机和RISC计算机 6. 2012年6月，微软公司正式发布了其第一款搭载了最新的Windows8操作系统的自有品牌平板电脑Surface，并且有两个版本，RT为标准版，采用ARM处理器,只运行Metro应用, 而Pro版是一款全功能的PC机，采用intel处理器。近两年推出的Win 10 也是同样有两个版本，分别支持两种架构。 7. 目前，x86处理器占据了超过90%的个人电脑市场，以ARM为代表的RISC产品则同样占据了超过90%的移动计算市场。两强都想、都有希望进入对方的领地。究竟谁能胜利，我们拭目以待。

2.2 MIPS指令集结构 MIPS诞生于1980年代，是最早的RISC处理器之一。 一 . MIPS的寄存器 32个64位通用寄存器（GPRs） 也被称为整数寄存器，寄存器R0的值永远为0。 32个64位浮点数寄存器（FPRs） 一些特殊寄存器 如浮点状态寄存器，可以与通用寄存器交换数据。

2.2 MIPS指令集结构 二 . MIPS的数据表示 1、整数：字节（8位）、半字（16位）、字（32位)、双字（64位） 2、浮点数：单精度浮点数（32位）、双精度浮点数（64位） 字节、半字或者字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们将按照64位整数的方式进行运算。

2.2 MIPS指令集结构 三 . MIPS的指令格式 所有的指令都是32位的 操作码占6位，寻址方式编码到操作码中 3种指令格式：

2.2 MIPS指令集结构 1、 I类指令 load指令 访存有效地址：Regs[rs]＋immediate rt rs 立即数（ immediate ） 操作码 6 5 16 10 11 15 31 寄存器号 load指令 访存有效地址：Regs[rs]＋immediate 从存储器取来的数据放入寄存器rt store指令 要存入存储器的数据放在寄存器rt中

2.2 MIPS指令集结构 1、 I类指令 立即数指令 Regs[rt] ← Regs[rs] op immediate 分支指令 立即数（ immediate ） 操作码 6 5 16 10 11 15 31 寄存器号 立即数指令 Regs[rt] ← Regs[rs] op immediate 分支指令 转移目标地址：Regs[rs]＋immediate，rt无用 寄存器跳转、寄存器跳转并链接 转移目标地址为Regs[rs]

2.2 MIPS指令集结构 2、 R类指令 包括ALU指令、专用寄存器读/写指令、move指令等。 ALU指令 6 5 rt rd func 10 11 15 16 31 20 21 shamt 25 26 操作码 rs 源1 源2 目的 包括ALU指令、专用寄存器读/写指令、move指令等。 ALU指令 Regs[rd]← Regs[rs] func Regs[rt] func为具体的运算操作编码 shamt存放移位的位数, 也就是指令中的立即数

2.2 MIPS指令集结构 3、 J类指令 包括跳转指令、跳转并链接指令、自陷指令、异常返回指令。 26 操作码 6 与 PC 相加的偏移量 31 5 包括跳转指令、跳转并链接指令、自陷指令、异常返回指令。 在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，它与PC值相加形成跳转的地址。

2.2 MIPS指令集结构 四 . MIPS的操作 符号的意义： x←ny：从y传送n位到x x，y←z：把z传送到x和y 下标：表示字段中具体的位； 对于指令和数据，按从最高位到最低位（即从左到右）的顺序依次进行编号，最高位为第0位，次高位为第1位，依此类推。 下标可以是一个数字，也可以是一个范围。 例如：Regs[R4]0：寄存器R4的符号位 Regs[R4]56..63：R4的最低字节

2.2 MIPS指令集结构 Mem：表示主存；按字节寻址，可以传输任意个字节。 上标：用于表示对字段进行复制的次数 例如：0 32：一个32位长的全0字段 符号##：用于两个字段的拼接，并且可以出现在数据传送的任何一边。

2.2 MIPS指令集结构 1、load和store 详见P45 表2.11 指令举例 指令名称 含 义 LD R2，20(R3) 装入双字 Regs[R2]←64 Mem[20+Regs[R3]] LW R2，40(R3) 装入字 Regs[R2]←64 (Mem[40+Regs[R3]]0)32 ## Mem[40+Regs[R3]] SD R4，300(R5) 保存双字 Mem[300+Regs[R5]]←64 Regs[R4]

2.2 MIPS指令集结构 2、 ALU操作 详见P46 表2.12 指令举例 指令名称 含义 DADDU R1，R2，R3 无符号加 Regs[R1]← Regs[R2]+ Regs[R3] DADDIU R4，R5，#6 加无符号立即数 Regs[R4]← Regs[R5]+6 DSLL R1，R2，#5 逻辑左移 Regs[R1]← Regs[R2]<<5

2.2 MIPS指令集结构 3、分支和跳转 详见P46 表2.13 指令举例 指令名称 含义 J name 跳转 JAL name (PC+4 )36··63←( name<<2) JAL name 跳转并链接 Regs[R31]←PC+4； BEQZ R4，name 等于零时分支 if(Regs[R4]== 0) PC←(PC+4)+(name<<2)

2.2 MIPS指令集结构 4、浮点操作 由操作码指出操作数是单精度（SP）或双精度（DP） 后缀S：表示操作数是单精度浮点数 包括加、减、乘、除，分别有单精度和双精度指令。 浮点数比较指令