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第二章 计算机的语言

一台计算机中所有机器指令的集合,称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素,它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构,而且也影响到系统软件。

指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式,通常由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能,而地址码字段指示操作数的地址。MIPS 采用三地址 32 位长度的单字长形式。

形成指令地址的方式,称为指令寻址方式。有顺序寻址和跳跃寻址两种,由指令计数器来跟踪。

形成操作数地址的方式,称为数据寻址方式。操作数可放在专用寄存器、通用寄存器、内存和指令中。数据寻址方式有隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址、基值寻址、变址寻址、块寻址、段寻址等多种。

MIPS 具有 5 种寻址方式。

RISC 指令系统是目前计算机发展的主流,也是 CISC 指令系统的改进,它的最大特点是:① 指令条数少;② 指令长度固定,指令格式和寻址方式种类少;③ 只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作均在寄存器之间进行。

存储程序计算机的两个准删是指令的使用与数字没有区别,以及使用可修改的存储器。这些准则使一台计算机可以在不同的领域辅助环境科学家、经济顾问和小说家。选择机器可以理解的指令集需要精妙的平衡程序执行需要的指令数目、指令执行所需的时钟周期数和时钟的速度。在做精妙平衡时有四条准则可以指导设计者:

1)简单源于规整。规整性使 MIPS 指令集具有很多特点:所有指令长度统一、算术指令总是需要三个寄存器操作数和寄存器字段在每种指令格式的位置相同。

2)越小越快。对速度的要求导致 MIPS 只有 32 个寄存器而不是更多。

3)加速常用操作。MIPS 加速常用操作的例子包括条件分支中 PC 相对寻址和为大的常数操作数使用立即数寻址。

4)优秀的设计需要好的折中。一个 MIPS 例子是在指令中提供更大地址与常数,并且保持所有的指令具有相同的长度之间的折中。


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