基本概念和分类
ISA(指令系统)定义了软硬件交互的协约。
指令系统设计原则
- 可编程性
- 可实现性
- 兼容性
指令系统设计要素
指令格式：包括了指令长度（定长或者是变长）以及编码方式
操作数存储位置（寄存器、主存、累加器、堆栈）、类型（整型、浮点）、长度（字节、字、双字）和个数（1，2，3，多操作数）
寻址方式
支持的操作类型：加减、比较
指令系统结构分类
根据操作数的存储位置对指令进行分类：
- 主存型结构：主存
- 累加器型结构：累加器
- 堆栈型结构：堆栈
- 通用寄存器结构：通用寄存器组
指令系统中操作数给出方式：
- 显式给出：用指令字中的操作数字段给出
- 隐式给出：隐式给出则是使用实现约定好的单元
指令系统的发展和改进
由性能公式：CPU时间=指令条数IC*CPI *周期时间
复杂指令系统CISC
改进方法：
- 减少指令条数，使用复杂的指令
- 对于使用频率高的指令串，用一条新的指令来代替
问题：
- 设计周期长，准确性难以保证
- 需要大量的硬件支持
- 很多复杂指令使用频率低，造成资源浪费
- 许多指令由于操作复杂，其CPI值比较大，执行速度慢
- 规整性不好，不利于采用流水线技术来提高性能
精简指令系统RISC
RISC遵循的原则：
- 指令条数少，功能简单
【只选取使用频率很高的指令，再补充一些其他最有用的指令】 - 指令格式简单、规整、并减少寻址方式
- 指令的执行在单个周期内完成（采用流水线机制）
- 只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行（load-store结构）
- 大多数指令都采用硬连逻辑来实现
- 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码
- 充分利用流水线技术来提高性能
改进方法：
- 减少CPI，使用大量单周期指令
- 增加指令条数，复杂的指令使用频率很低，实际程序的指令条数并不太多
- 减少时钟周期时间