全国计算机等级考试四级复习纲要七

　　2.按暂存机制分类

　　 根据在CPU内部存储操作数的区别，可以把指令集体系分为三类。这三类分别为:堆栈（stack）、累加器（accumulator）和寄存器集（a set of registers）。

　　3.通用寄存器机的分类

　　通用寄存器机（general-purpose register machines）简称GPR机。GPR的关键性优点起因于编译程序能有效地使用寄存器，无论是计算机表达式的值，还是从全局的角度使用寄存器来保存变量的值。在表达式求解时，寄存器比堆栈或者累加器能提供更加灵活的次序。更重要的是寄存器能用来保存变量。当变量分配给寄存器时，访存流量（memory traffic）就会减少，程序运行就会加速，而且代码密度也会得到改善。可以用指令集的两个主要特征来区分GPR体系结构。这两个特征都是关于ALU指令即典型的算术逻辑指令中操作数的本质。第一个是ALU指令有两个或三个操作数。在三操作数格式中，指令包括两个源操作数物一个目的操作数。在二操作数格式中，有一个操作数既是源操作数又是目的操作数。第二个是ALU指令中有几个操作数是存储器地址，对典型的ALU指令，这个数可能在1与3之间。

　　（二） 指令格式及其优化

　　1.指令格式的设计考虑对于指令格式（instruction format）的设计有一些优先考虑的原则:

　　（1）关于指令的长度，短指令要比长指令更节约些。尽管存储器的价格越来越便宜，但设计者还是不愿意浪费它们。

　　（2）还要考虑是否有足够的空间表示所有期望的操作。

　　（3）在GPR结构中，无论是哪种寄存器与存储器类型，提高存取指令的速度都是应该考虑的一个重要原则。存储器的存取速度越高，就能给处理机提供更多的指令进行处理。在一定的存取速率下，如果平均指令长度较短，那么存储器就能供应更多的指令。

　　（4）机器字长（word length）应该是字符长度（character length）的整数倍。否则，在存储字符时就会造成浪费，而且也会造成寻址困难。
　　
　　（5）寻址字段长度的选择。假设存储空间是2 19 位，如果存取单位的大小不同，则地址长度也不相同。

　　2.指令格式化

　　指令格式的优化既包括指令码的优化，也包括操作数的优化。所谓指令格式的优化就是从整个指令系统的利用率角度出发，尽量设法减少指令中的冗余信息量，以便用最少的位数提供足够的操作信息和地址信息。

　　 3.哈夫曼编码

　　哈夫曼编码的基本概念是:对发生概率高的事件用短码表示，对发生概率低的事件用长码表示，这样做的结果可以使平均编码长度明显压缩，使之很接近理论编码长度。要对指令码进行优化表示，就必须知道每条指令在程度中出现的概率，即指令的使用频度，一般都是通过对大量已有的典型程序进行统计而求得。获得使用频度后，即可根据这些数据构造一个哈夫曼树。具体算法是:把各指令按使用频度从小到大排序;从中取出最小与次最小的两个指令作为叶结点构成二叉树，其根为两结点频度之和，并把比值插入到频度序列中;递归地使用此法继续构造二叉树，直到全部指令都作为叶结点使用完为止。有了哈夫曼树（它是一个二叉树），即可用它进行编码。具体做法是:从根结点开始，把树的左子树线段标为1，右子树线段标为0，直至叶结点。然后从每个指令所在的叶结点位置开始，沿最短路径到达各个叶结点并依次写下沿线的0、1序列。就得到该指令的哈夫曼编码。

　　（三） 指令集的复杂化。

　　1.指令集发展的两个途径

　　（1）CISC途径CISC是Complex Instruction Set Computer（复杂指令集计算机）的缩写。它的基本思想是:进一步增强原有指令的功能，用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。这是一种传统的发展方向，早在50年代就已采用。这种途径必然导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。事实上，目前使用的绝大多数计算机都属于CISC类型。

　　（2）RISC途径RISC是Reduced Instruction Set Computer（精简指令集计算机）的缩写。其基本思想是:通过减少指令总数和简化指令功能，降低硬件设计的复杂度，使指令能单周期执行，并通过优化编译，提高指令的执行速度。这是一种革新的发展方向，在70年代末才开始兴起。这种途径必然导致机器的指令系统进一步精炼而简单。

　　2.面向目标代码的优化

　　为了提高目标程序的实现效率，人们对大量的机器语言目标代码及其执行情况进行了统计。对程序中出现的各种指令以及指令串进行统计得到的百分比称为静态使用频度。在程序执行过程中对出现的各种指令以及指令串进行统计得到的百分比称为动态使用频度。按静态使用频度来改进目标代码可减少目标程序所占的存储空间。按动态使用频度来改进目标代码可减少目标程序运行的执行时间。大量统计表明，动态和静态使用频度两者非常接近，最常用的指令是存、取、条件转移等。对它们加以优化，既可以减少程序所需的存储空间，又可以提高程序的执行速度。

　　3.面向高级语言的优化

　　面向高级语言的优化就是尽可能缩小高级语言与机器语言之间的语义差距，以利于支持高级语言编译系统，缩短编译程序的长度和编译所需的时间。
　　
　　4.面向操作系统的优化

　　面向操作系统的优化就是进一步缩小操作系统与体系结构之间的语义差距，以利于减少操作系统运行所需的辅助时间，节省操作系统软件所占用的存储空间。操作系统的实现依赖于体系结构对它的支持。许多传统机器指令例如算术逻辑指令、字符编辑指令、移位指令、控制转移指令等，都可用于操作系统的实现。此外，还有相当一部分指令是专门为实现操作系统的各种功能而设计的。

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