第四章　指令系統的設計原理和風格

　　本章屬重點章。指令系統是計算機外特性的重要內容，本章主要介紹了兩種不同風格的指令系統：RISC和CISC.在學習這兩種指令系統之前，我們先了解一下什么是指令系統。

　　一、指令系統的設計（領會）

　　指令系統是指機器所具有的全部指令的集合。它反映了計算機所擁有的基本功能。它是機器語言程序員所看到的機器的主要屬性之一。

　　通常我們說的加法指令、傳輸數據指令等等就是計算機的指令，這些指令就是告訴計算機從事某一特殊運算的代碼，一種計算機系統確定的這些指令的集合我們就說它是這種機器的指令系統。

　　那么指令系統的設計要做什么？ 就是要確定它的指令格式（就是指令有多少位長，哪幾位表示地址，哪幾位表示操作等）、類型（如堆棧型、寄存器型等分類）、操作（比如運算、數據傳送啊什么的都是指令中要確定的操作）以及操作數的訪問方式（一個指令要訪問數據，是按其地址訪問還是按內容訪問等也要由指令設計來解決）。

　　我們知道，由多條指令構成的程序是要以二進制的形式放到存儲器中的，早期的存儲器很昂貴，因此導致指令設計者盡量增強一條指令的復雜性以減少程序的長度。還用微程序（就是保存在專用的存儲器中的一小段程序，運行時只要用一條指令來啟動它就可用來代替好多條指令） 來改進代碼密度。這樣的設計傾向形成了一種傳統的指令設計風格，即認為計算機系統性能的提高主要依靠增加指令復雜性及其功能來獲取。這就是稱為復雜指令系統（CISC）的設計風格。我們現在用的PC機多是用這種設計風格的指令系統，比如MMX多媒體擴展指令等，都是增加進去的指令，是復雜指令。

　　后來，通過測試，這種不斷增加指令復雜度的辦法并不能使系統性能得到很大提高，反倒使指令系統實現更困難和費時。所以在70年代中期又出現了另一種稱為"簡化指令系統（RISC）"的設計風格。它的基本思想是，簡單的指令能執行得更快以及指令系統只需由使且頻率高的指令組成。（插話）

　　指令系統在設計時，應特別注意的是如何能使編譯系統高效、簡易地將源程序翻譯成目標代碼。這就是指令系統的設計原則。為了達到這個目的，在設計時應注意：正交性、規整性、可擴充性、對稱性。（請對照課本加以理解）

　　二、指令系統集結構的分類（識記）

　　前面我們知道了指令系統的設計要確定它的指令格式、類型、操作及對操作數的訪問方式。現在就提到了分類：

　　一般地，指令系統集結構分類主要是依據在CPU中以何種存儲方式來存放操作數。

　　我們知到，CPU在進行數據計算時，總是要先把數據取到某種寄存器中才能開始。而這寄存器的類型有堆棧型、累加器型和通用寄存器型三種。相應地，使用哪種存儲方式來存放操作數的，就把指令系統集結構分成堆棧型、累加器型和通用寄存器型三類。它們是有區別的，堆棧型結構中，操作數總是被默認存放在棧頂，累加器結構中，操作數總是被默認存放在累加器中；而在通用寄存器中，所有的操作數都必須被說明是存放在哪一個寄存器或存儲器的哪個單元中。

　　所有的計算機都可按上述分類標準進行歸類。但有的機器可能是某些類型的混合，如intel的8086處理器便是通用寄存器結構和累加器結構的混合。

　　三種類型的比較：

　　其中通用寄存器指令系統又可進一步分為：寄存器-寄存器、寄存器-存儲器以及存儲器-存儲器三類。在RISC機中，只可能存在寄存器-寄存器類型。（寄存器是在計算機內部的存儲小容量數據的裝置，尤指數據可以同時存儲和運算的裝置）請注意它們的優缺點，第一種是具有最好的指令密度，但是訪存速度慢。第三種方式則簡單，但程序代碼較長。第二種取中。

　　三、操作數訪問（尋址）方式（識記）

　　指令中對操作數的訪問方式，按訪問手段可分為兩大類：常用的是按地址訪問，另一類是按內容訪問方式。

　　計算機中的兩個地址概念一個是邏輯地址、一個是物理地址，前者為虛，后者是實，一般所討論的尋址方式是指邏輯地址的尋址方式。

　　地址的編址，通常有三種不同方式：（1）按各種部件分類編址；（2）統一編址；（3）隱式編址

　　對存儲器這一存儲部位編址（領會），絕大多數計算機將字節作為最小訪問單位（注意，1字節=8