指令系统 原创

一、 指令系统（Instruction Set Architecture, ISA）

指令系统（Instruction Set Architecture, ISA），通常也被称为指令集、计算机架构 是一套详细的规范和标准，定义了计算机硬件能够识别和执行的基本操作指令的集合

1.1 指令格式

指令格式是指令的编码方式，一条指令通常包含和

• 操作码：指明操作的类型，如算术运算（加、减、乘、除）、逻辑运算（与、或、非）、数据传送（加载、存储）、控制流（跳转、调用、返回）等
• 操作数/地址码：提供操作的、提供结果的、提供程序执行的目标位置

1.2 指令操作数的寻址方式

1. (Immediate Addressing)
   • 核心思想：操作数。指令的操作数字段不是地址，就是数据本身。
   • 工作原理：CPU从指令流中取出指令后，操作数部分，无需再次访问内存或寄存器。
   • 优点：，因为取指后立即得到操作数。
   • 缺点：数值的大小和范围，不灵活。
2. (Direct Addressing)
   • 核心思想：指令的操作数字段直接给出的是操作数在。
   • 工作原理：CPU根据指令中给出的地址，即可从该地址读取或写入操作数。
   • 优点：。
   • 缺点：地址空间（例如16位操作数只能直接寻址64KB空间）。如果地址是固定的，程序移植性差。
3. (Register Addressing)
   • 核心思想：操作数存放在中。
   • 工作原理：指令中指定寄存器编号，CPU获取操作数。
   • 优点：（比访问内存快多个数量级），（因为寄存器数量少，编号只需很少几位）。
   • 缺点：可用的寄存器数量。
4. (Register Indirect Addressing)
   • 核心思想：指令中指定的里存放的，而是数据在。
   • 工作原理：CPU，拿到有效地址(EA)，然后根据这个地址，才能取得最终的操作数。
   • 优点：非常，通过改变就可以访问，常用于处理数组、字符串、指针等。
   • 缺点：需要（一次读寄存器，一次读内存），比直接寄存器寻址慢。
5. (Register Relative Addressing) 或
   • 核心思想：操作数的有效地址由一个的内容加上一个 形成。EA = (Base Register) + Offset
   • 工作原理：偏移量直接，是一个常数。CPU和，再去访问内存。
   • 优点：非常适合访问和。基址寄存器可以指向结构/数组的起始地址，偏移量用来访问特定字段/元素。
6. (Indexed Addressing)
   • 核心思想：与，通常使用一个（如SI, DI）的内容加上一个（可能在指令中，也可能在另一个寄存器中）来形成有效地址。EA = Base + (Index Register)
   • 工作原理：变址寄存器的值通常作为数组的索引（0, 1, 2...），通过改变它的值来遍历数组。
   • 优点：是。只需在循环中改变变址寄存器的值即可。

注意

现代处理器中，和的界限已经很模糊，常被统称为。

7. (Based Indexed Addressing)
   • 核心思想：有效地址由一个的内容加上一个的内容共同形成。EA = (Base Register) + (Index Register)
   • 工作原理：基址寄存器指向一个基地址（如数组起始），变址寄存器提供索引偏移。
   • 优点：极其灵活，非常适合访问或。基址寄存器可以指向不同的行（或不同的结构体），变址寄存器指向行内的列（或结构体内的字段）。
   • 缺点：需要。

8. 小结

寻址方式	有效地址 (EA) 计算	优点	缺点	常见用途
立即寻址	操作数 = 指令中的立即数			初始化、常量操作
直接寻址	EA = 指令中的地址码			访问全局静态变量
寄存器寻址	操作数在指令指定的寄存器中			局部变量、中间结果
寄存器间接寻址	EA = (寄存器)	，可指向任何位置	需访问(取指后)	指针、动态数据
寄存器相对寻址	EA = (基址寄存器) + 偏移量	适合	-	访问数组元素、结构体字段
变址寻址	EA = 基地址 + (变址寄存器)	适合	-	循环操作数组
基址加变址寻址	EA = (基址寄存器) + (变址寄存器)	，适合二维结构		二维数组、结构体数组

1.3 指令系统分类

指令系统分为：复杂指令集（CISC：Complex Instruction Set Computer）和精简指令集（RISC：Reduced Instruction Set Computer）对比如下表所示

特性维度	📚 CISC (复杂指令集)	✨ RISC (精简指令集)
设计哲学	复杂、庞大	、指令简单高效，编译器组合功能
指令数量	(数百条)，包含大量专用指令	(通常<100条)，仅保留最常用指令
指令长度	(1-15字节不等)，灵活但译码复杂	(通常32位)，译码简单，利于流水线
内存访问	可直接操作内存数据	指令可访问内存
执行周期	(1到上百周期)，难以预测	完成，规律性强
指令使用率	(80%时间只用20%指令)	，每条指令都常用
寄存器数量	(如x86: 8-16个)，导致更多内存访问	(通常32个)，减少内存访问
控制方式	控制，灵活但有转换开销	控制，速度快
流水线支持	：变长指令、周期不一导致流水线易阻塞	：固定长度、单周期完美支持流水线

1.4 指令的执行方式

指令的执行方式有顺序、重叠、和流水方式三种

1.4.1 顺序执行

这是最简单、最原始的执行方式。

• 工作过程：
  1. 取出第k条指令。
  2. 执行第k条指令。
  3. 只有第k条指令后，才能开始取出第k+1条指令。
• 优点：
  • ，硬件实现容易。
• 缺点：
  • 。CPU的各功能部件（如取指部件、执行部件）在大部分时间内是串行工作的，利用率很低。例如，在执行指令时，取指部件是空闲的。

1.4.2 重叠执行

为了提升效率，让不同部件同时工作，这就产生了重叠执行方式。 "取指k+1" 和 "执行k" 这两个分别由不同部件完成的操作，可以同时进行。

• 工作过程：
  1. 在指令。
• 优点：
  • 相比于顺序方式，。它缩短了指令的平均执行时间，使CPU功能部件的利用率提升。
• 缺点：
  • 需要解决：如果"执行k"和"取指k+1"都需要访问内存，就会发生冲突（因为一个内存通常只有一个端口）

1.4.3 流水执行方式（指令流水线）

流水方式是重叠方式的并行思想的进一步发展和升华。它将指令的整个执行过程，每个的功能部件完成。

• 工作过程（以经典5段流水线为例）：

  1. 取指（IF）：从指令缓存取指令。
  2. 译码/读寄存器（ID）：译码并从寄存器堆读取操作数。
  3. 执行（EX）：在ALU中进行计算或地址计算。
  4. 访存（MEM）：访问数据缓存（如果是Load/Store指令）。
  5. 写回（WB）：将结果写回寄存器。
  • 每个阶段完成后，指令及其结果被传递到下一阶段，就像在流水线上一样。

• 优点：

  • ，大幅提高了指令的吞吐率（Throughput）。。

• 缺点 & 挑战：

  • ，这些冒险会破坏流水线的流畅性，导致性能下降：
    • ：两条指令争抢同一个硬件资源（如同时访存）。
    • ：后一条指令需要前一条指令的计算结果，但结果还未产生（ 是主要问题）。
    • ：遇到分支指令时，无法确定下一条指令的地址，导致流水线停顿。
  • 解决冒险需要增加等复杂硬件机制。

• 时空图：

  

• 从第5个时钟周期开始，每个周期都有一条指令完成（WB）。

1.4.4 小结

特性	顺序方式	重叠方式	流水方式
本质	串行执行
并行度	无
控制逻辑	简单
效率	最低

1.5

设流水线执行周期为 ，流水线每个部分执行完成的时间为 ，1条指令执行所需时间的 ， 指令条数为 ，执行 条指令所花的时间为

1.5.1 常用公式

• 流水线周期计算公式为

• 1条指令执行的时间

• 流水线执行时间

• 流水线的吞吐率( )：在内流水线所的任务教量或输出结果数量

• 流水线的加速比( )：完成同样一批任务,不使用流水线的执行的时间与使用流水线的执行时间之比

1.5.2 计算示例

若指令流水线，把一条指全分为取指,分析，执行三部分,三部分的执行时间2ns， 2ns，1ns。

• 问：流水线周期是多少？100条指今全部执行完毕需要多久？求流水线的吞吐率是多少？流水线的加速比是多少？
• 答：
  1. 流水线周期：
  2. 100条指今全部执行完毕时间：
  3. 流水线吞吐率：
  4. 流水线的加速比：