计算机体系结构---指令系统1

1. 基本概念与分类

1.1 概念

指令系统(Instruction Set Architecture, ISA)是一台计算机能够直接识别并执行的机器指令的集合。
ISA是软、硬件的分界面与接口：定义了软、硬件交互的协约；提供了一种软件告诉硬件该执行什么操作的机制。

1.2 分类

CISC、RISC

计算机系统结构可根据ISA的不同进行分类，x86指令系统、MIPS指令系统等。但是使用同一指令系统的计算机硬件实现可以不同。使用相同指令系统的机器，软件是兼容的。

根据操作数的存储位置对指令进行分类：主存型结构、累加器型结构、堆栈型结构、通用寄存器结构 (寄存器-存储器，寄存器-寄存器)

1.3 指令系统设计

1. 设计原则
   （1）可编程性（Programmability）——软件
   简单、高效的编程
   （2）可实现性（Implementability）——硬件
   容易设计出高性能、低功耗、高可靠、低成本的计算机
   （3）兼容性（Compatibility）——用户
   兼容性包括向上（向前）兼容与向下（向后）兼容
2. 设计要素
   （1）指令格式 (指令长度、编码): 定长的指令规整，控制操作简单，但可能浪费一定的指令存储空间，变长指令节省空间，但控制复杂。
   （2）操作数存储位置 (寄存器、主存、累加器、堆栈等)、类型 (整形、浮点)、长度 (字节、字、双字等)、个数。
   （3）寻址方式：寄存器寻址，立即数寻址，偏移寻址，寄存器间接寻址，索引寻址
   （4）操作类型：add、sub、mul、move、compare

2. MIPS指令系统

load-store结构 (寄存器-寄存器）

2.1 寄存器

1. 32个64位通用寄存器 (整数寄存器)（R0, R1, …R31）R0的值永远是0。
2. 32个64位浮点数寄存器 (F0, F1,…F31)，用来存放32个单精度浮点数 (32位)，也可以用来存放32个双精度浮点数 (64位)。存储单精度浮点数时，只用到寄存器的一半。

2.2 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)。
3. 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。

2.3 数据寻址方式

1. 立即数寻址与偏移量寻址：立即数字段和偏移量字段都是16位的。
2. 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的。
3. 16位绝对寻址是通过把R0（其值永远为0）作为基址寄存器来完成的。
4. MIPS的存储器是按字节寻址的，地址为64位。

2.4 指令格式

寻址方式编码到操作码中，所有指令都是32位的，操作码占6位
3种指令格式：R、I、J，同名字段的位置不变。

1. R型指令
   （1）ALU指令
   （2）专用寄存器读/写指令
   （3）MOVE指令等
2. J类指令
   （1）跳转指令
   （2）跳转并链接指令
   （3）自陷指令
   （4）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
3. I型指令
   （1）load和store指令
   （2）立即数指令
   （3）分支指令
   （4）寄存器跳转指令
   （5）寄存器链接跳转指令。
   立即数字段为16位，用于提供立即数或偏移量。