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| 精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片 |
概况编辑本段回目录
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| 指令系统 |
各计算机公司设计生产的计算机，其指令的数量与功能、指令格式、寻址方式、数据格式都有差别，即使是一些常用的基本指令，如算术逻辑运算指令、转移指令等也是各不相同的。因此，尽管各种型号计算机的高级语言基本相同，但将高级语言程序（例如Fortran语言程序）编译成机器语言后，其差别也是很大的。因此将用机器语言表示的程序移植到其他机器上去几乎是不可能的。从计算机的发展过程已经看到，由于构成计算机的基本硬件发展迅速，计算机的更新换代是很快的，这就存在软件如何跟上的问题。大家知道，一台新机器推出交付使用时，仅有少量系统软件（如操作系统等）可提交用户，大量软件是不断充实的，尤其是应用程序，有相当一部分是用户在使用机器时不断产生的，这就是所谓第三方提供的软件。
为了缓解新机器的推出与原有应用程序的继续使用之间的矛盾，1964年在设计IBM360计算机时所采用的系列机思想较好地解决了这一问题。从此以后，各个计算机公司生产的同一系列的计算机尽管其硬件实现方法可以不同，但指令系统、数据格式、I/O系统等保持相同，因而软件完全兼容（在此基础上，产生了兼容机）。当研制该系列计算机的新型号或高档产品时，尽管指令系统可以有较大的扩充，但仍保留了原来的全部指令，保持软件向上兼容的特点，即低档机或旧机型上的软件不加修改即可在比它高档的新机器上运行，以保护用户在软件上的投资。
指令格式编辑本段回目录
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| 指令系统 |
计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令必须包含下列信息：
（1）操作码。它具体说明了操作的性质及功能。一台计算机可能有几十条至几百条指令，每一条指令都有一个相应的操作码，计算机通过识别该操作码来完成不同的操作。
（2）操作数的地址。CPU通过该地址就可以取得所需的操作数。
（3）操作结果的存储地址。把对操作数的处理所产生的结果保存在该地址中，以便再次使用。
（4）下条指令的地址。执行程序时，大多数指令按顺序依次从主存中取出执行，只有在遇到转移指令时，程序的执行顺序才会改变。为了压缩指令的长度，可以用一个程序计数器（ProgramCounter，PC）存放指令地址。每执行一条指令，PC的指令地址就自动+1（设该指令只占一个主存单元），指出将要执行的下一条指令的地址。当遇到执行转移指令时，则用转移地址修改PC的内容。由于使用了PC，指令中就不必明显地给出下一条将要执行指令的地址。
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| 指令系统 |
指令包括操作码域和地址域两部分。根据地址域所涉及的地址数量，常见的指令格式有以下几种。
①三地址指令：一般地址域中A1、A2分别确定第一、第二操作数地址,A3确定结果地址。下一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。
②二地址指令：地址域中A1确定第一操作数地址，A2同时确定第二操作数地址和结果地址。
③单地址指令：地址域中A 确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二操作数和操作结果。因而在指令中隐含了它们的地址。
④零地址指令：在堆栈型计算机中，操作数一般存放在下推堆栈顶的两个单元中,结果又放入栈顶,地址均被隐含，因而大多数指令只有操作码而没有地址域。
⑤可变地址数指令：地址域所涉及的地址的数量随操作定义而改变。如有的计算机的指令中的地址数可少至 0个，多至6个。
寻址方式编辑本段回目录
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| ADSPSim功能模块图 |
①直接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址。
②间接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址的地址即指令地址码对应的存储单元所给出的是地址A，操作数据存放在地址A指示的主存单元内。有的计算机的指令可以多次间接寻址,如A指示的主存单元内存放的是另一地址B，而操作数据存放在B指示的主存单元内，称为多重间接寻址。
③立即寻址：指令地址域中表示的是操作数本身。
④变址寻址：指令地址域中表示的是变址寄存器号i和位移值D。将指定的变址寄存器内容E与位移值D相加,其和E+D为操作数地址。许多计算机具有双变址功能，即将两个变址寄存器内容与位移值相加，得操作数地址。变址寻址有利于数组操作和程序共用。同时，位移值长度可短于地址长度，因而指令长度可以缩短。
⑤相对寻址：指令地址域中表示的是位移值D。程序计数器内容（即本条指令的地址）K与位移值D相加，得操作数地址K+D。当程序在主存储器浮动时，相对寻址能保持原有程序功能。
种类编辑本段回目录
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| 指令系统 |
①数据处理指令：包括算术运算指令、逻辑运算指令、移位指令、比较指令等。
②数据传送指令：包括寄存器之间、寄存器与主存储器之间的传送指令等。
③程序控制指令：包括条件转移指令、无条件转移指令、转子程序指令等。
④输入－输出指令：包括各种外围设备的读、写指令等。有的计算机将输入－输出指令包含在数据传送指令类中。
⑤状态管理指令：包括诸如实现置存储保护、中断处理等功能的管理指令。
随着计算机系统结构的发展，有些计算机还不断引入新指令。如“测并置”指令是为在多机系统和多道程序中防止重入公用子程序而设置的。指令先测试标志位以判断该子程序是否正在使用。如未被使用，则转入子程序并置该标志位，以防其他进程重入。后来又出现功能更强的信号（PV操作）指令。有的计算机还设置“执行”指令。“执行“指令执行由地址域所确定的存储单元中的指令。其目的是避免用程序直接修改程序中的指令。这对程序的检查和流水线等技术的应用均有好处。有的计算机采用堆栈实现程序的调用指令和返回指令。调用时将返回地址和各种状态、参数压入堆栈顶部，这样就能较好地实现子程序的嵌套和递归调用，并可使子程序具有可重入性。另外，一些计算机使不少复杂的操作固定化，形成诸如多项式求值、队列插项、队列撤项和各种翻译、编辑等指令。
向量指令和标量指令：有些大型机和巨型机设置功能齐全的向量运算指令系统。向量指令的基本操作对象是向量,即有序排列的一组数。若指令为向量操作,则由指令确定向量操作数的地址（主存储器起始地址或向量寄存器号），并直接或隐含地指定如增量、向量长度等其他向量参数。向量指令规定处理机按同一操作处理向量中的所有分量，可有效地提高计算机的运算速度。不具备向量处理功能，只对单个量即标量进行操作的指令称为标量指令。
特权指令和用户指令：在多用户环境中，某些指令的不恰当使用会引起机器的系统性混乱。如置存储保护、中断处理、输入输出等这类指令，均称为特权指令，不允许用户直接使用。为此，处理机一般设置特权和用户两种状态，或称管（理）态和目（的）态。在特权状态下，程序可使用包括特权指令在内的全部指令。在用户状态下，只允许使用非特权指令，或称用户指令。用户如使用特权指令则会发生违章中断。如用户需要申请操作系统进行某些服务，如输入－输出等，可使用“广义指令”，或称为“进监督”、“访管”等的指令。
特点：编辑本段回目录
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| 指令系统 |
完备性：指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。
有效性：是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
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一致性。对称性是指：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有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一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。
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。
发展过程编辑本段回目录
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| 指令系统 |
RISC是一种计算机体系结构的设计思想，是近代计算机体系结构发展史中的一个里程碑。然而，直到现在，RISC还没有一个确切的定义。90年代初，IEEE的MichaelSlater对于RISC的定义做了如下描述:RISC处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行，并使优化编译器能生成优化代码。
1.RISC为使流水线高效率执行，应具有下述特征:(1)简单而统一格式的指令译码;(2)大部分指令可以单周期执行完成;(3)只有LAD和STORE指令可以访问存储器;(4)简单的寻址方式;(5)采用延迟转移技术;(6)采用LOAD延迟技术。
2.RISC为使优化编译器便于生成优化代码，应具有下述特征：
(1)三地址指令格式
(2)较多的寄存器
(3)对称的指令格式。
减少指令平均执行周期数是RISC思想的精华。
