2.按暫存機(jī)制分類

　　 根據(jù)在CPU內(nèi)部存儲(chǔ)操作數(shù)的區(qū)別，可以把指令集體系分為三類。這三類分別為:堆棧（stack）、累加器（accumulator）和寄存器集（a set of registers）。

　　3.通用寄存器機(jī)的分類

　　通用寄存器機(jī)（general-purpose register machines）簡(jiǎn)稱GPR機(jī)。GPR的關(guān)鍵性優(yōu)點(diǎn)起因于編譯程序能有效地使用寄存器，無(wú)論是計(jì)算機(jī)表達(dá)式的值，還是從全局的角度使用寄存器來(lái)保存變量的值。在表達(dá)式求解時(shí)，寄存器比堆�；蛘呃奂悠髂芴峁└�加靈活的次序。更重要的是寄存器能用來(lái)保存變量。當(dāng)變量分配給寄存器時(shí)，訪存流量（memory traffic）就會(huì)減少，程序運(yùn)行就會(huì)加速，而且代碼密度也會(huì)得到改善�？梢杂弥噶罴�的兩個(gè)主要特征來(lái)區(qū)分GPR體系結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)特征都是關(guān)于ALU指令即典型的算術(shù)邏輯指令中操作數(shù)的本質(zhì)。第一個(gè)是ALU指令有兩個(gè)或三個(gè)操作數(shù)。在三操作數(shù)格式中，指令包括兩個(gè)源操作數(shù)物一個(gè)目的操作數(shù)。在二操作數(shù)格式中，有一個(gè)操作數(shù)既是源操作數(shù)又是目的操作數(shù)。第二個(gè)是ALU指令中有幾個(gè)操作數(shù)是存儲(chǔ)器地址，對(duì)典型的ALU指令，這個(gè)數(shù)可能在1與3之間。

　　（二） 指令格式及其優(yōu)化

　　1.指令格式的設(shè)計(jì)考慮對(duì)于指令格式（instruction format）的設(shè)計(jì)有一些優(yōu)先考慮的原則:

　�。�1）關(guān)于指令的長(zhǎng)度，短指令要比長(zhǎng)指令更節(jié)約些。盡管存儲(chǔ)器的價(jià)格越來(lái)越便宜，但設(shè)計(jì)者還是不愿意浪費(fèi)它們。

　　（2）還要考慮是否有足夠的空間表示所有期望的操作。

　�。�3）在GPR結(jié)構(gòu)中，無(wú)論是哪種寄存器與存儲(chǔ)器類型，提高存取指令的速度都是應(yīng)該考慮的一個(gè)重要原則。存儲(chǔ)器的存取速度越高，就能給處理機(jī)提供更多的指令進(jìn)行處理。在一定的存取速率下，如果平均指令長(zhǎng)度較短，那么存儲(chǔ)器就能供應(yīng)更多的指令。

　�。�4）機(jī)器字長(zhǎng)（word length）應(yīng)該是字符長(zhǎng)度（character length）的整數(shù)倍。否則，在存儲(chǔ)字符時(shí)就會(huì)造成浪費(fèi)，而且也會(huì)造成尋址困難。
　　
　　（5）尋址字段長(zhǎng)度的選擇。假設(shè)存儲(chǔ)空間是2 19 位，如果存取單位的大小不同，則地址長(zhǎng)度也不相同。

　　2.指令格式化

　　指令格式的優(yōu)化既包括指令碼的優(yōu)化，也包括操作數(shù)的優(yōu)化。所謂指令格式的優(yōu)化就是從整個(gè)指令系統(tǒng)的利用率角度出發(fā)，盡量設(shè)法減少指令中的冗余信息量，以便用最少的位數(shù)提供足夠的操作信息和地址信息。

　　 3.哈夫曼編碼

　　哈夫曼編碼的基本概念是:對(duì)發(fā)生概率高的事件用短碼表示，對(duì)發(fā)生概率低的事件用長(zhǎng)碼表示，這樣做的結(jié)果可以使平均編碼長(zhǎng)度明顯壓縮，使之很接近理論編碼長(zhǎng)度。要對(duì)指令碼進(jìn)行優(yōu)化表示，就必須知道每條指令在程度中出現(xiàn)的概率，即指令的使用頻度，一般都是通過對(duì)大量已有的典型程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而求得。獲得使用頻度后，即可根據(jù)這些數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)哈夫曼樹。具體算法是:把各指令按使用頻度從小到大排序;從中取出最小與次最小的兩個(gè)指令作為葉結(jié)點(diǎn)構(gòu)成二叉樹，其根為兩結(jié)點(diǎn)頻度之和，并把比值插入到頻度序列中;遞歸地使用此法繼續(xù)構(gòu)造二叉樹，直到全部指令都作為葉結(jié)點(diǎn)使用完為止。有了哈夫曼樹（它是一個(gè)二叉樹），即可用它進(jìn)行編碼。具體做法是:從根結(jié)點(diǎn)開始，把樹的左子樹線段標(biāo)為1，右子樹線段標(biāo)為0，直至葉結(jié)點(diǎn)。然后從每個(gè)指令所在的葉結(jié)點(diǎn)位置開始，沿最短路徑到達(dá)各個(gè)葉結(jié)點(diǎn)并依次寫下沿線的0、1序列。就得到該指令的哈夫曼編碼。

　　（三） 指令集的復(fù)雜化。

　　1.指令集發(fā)展的兩個(gè)途徑

　�。�1）CISC途徑CISC是Complex Instruction Set Computer（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）的縮寫。它的基本思想是:進(jìn)一步增強(qiáng)原有指令的功能，用更為復(fù)雜的新指令取代原先由軟件子程序完成的功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化。這是一種傳統(tǒng)的發(fā)展方向，早在50年代就已采用。這種途徑必然導(dǎo)致機(jī)器的指令系統(tǒng)越來(lái)越龐大而復(fù)雜。事實(shí)上，目前使用的絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都屬于CISC類型。

　�。�2）RISC途徑RISC是Reduced Instruction Set Computer（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的縮寫。其基本思想是:通過減少指令總數(shù)和簡(jiǎn)化指令功能，降低硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，使指令能單周期執(zhí)行，并通過優(yōu)化編譯，提高指令的執(zhí)行速度。這是一種革新的發(fā)展方向，在70年代末才開始興起。這種途徑必然導(dǎo)致機(jī)器的指令系統(tǒng)進(jìn)一步精煉而簡(jiǎn)單。

　　2.面向目標(biāo)代碼的優(yōu)化

　　為了提高目標(biāo)程序的實(shí)現(xiàn)效率，人們對(duì)大量的機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)代碼及其執(zhí)行情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。對(duì)程序中出現(xiàn)的各種指令以及指令串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的百分比稱為靜態(tài)使用頻度。在程序執(zhí)行過程中對(duì)出現(xiàn)的各種指令以及指令串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的百分比稱為動(dòng)態(tài)使用頻度。按靜態(tài)使用頻度來(lái)改進(jìn)目標(biāo)代碼可減少目標(biāo)程序所占的存儲(chǔ)空間。按動(dòng)態(tài)使用頻度來(lái)改進(jìn)目標(biāo)代碼可減少目標(biāo)程序運(yùn)行的執(zhí)行時(shí)間。大量統(tǒng)計(jì)表明，動(dòng)態(tài)和靜態(tài)使用頻度兩者非常接近，最常用的指令是存、取、條件轉(zhuǎn)移等。對(duì)它們加以優(yōu)化，既可以減少程序所需的存儲(chǔ)空間，又可以提高程序的執(zhí)行速度。

　　3.面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化

　　面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化就是盡可能縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差距，以利于支持高級(jí)語(yǔ)言編譯系統(tǒng)，縮短編譯程序的長(zhǎng)度和編譯所需的時(shí)間。
　　
　　4.面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化

　　面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化就是進(jìn)一步縮小操作系統(tǒng)與體系結(jié)構(gòu)之間的語(yǔ)義差距，以利于減少操作系統(tǒng)運(yùn)行所需的輔助時(shí)間，節(jié)省操作系統(tǒng)軟件所占用的存儲(chǔ)空間。操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)依賴于體系結(jié)構(gòu)對(duì)它的支持。許多傳統(tǒng)機(jī)器指令例如算術(shù)邏輯指令、字符編輯指令、移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令等，都可用于操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。此外，還有相當(dāng)一部分指令是專門為實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的各種功能而設(shè)計(jì)的。

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