3.5 指令系统的发展

本节探讨指令系统设计的演进，包括操作码的优化方法以及从复杂指令集到精简指令集的转变。

3.5.1 指令操作码的优化

目标: 在满足所有指令编码的前提下，使操作码字段的平均长度最短，从而节省程序存储空间。
哈夫曼编码 (Huffman Coding):
- 原则: 对使用频率高的指令分配较短的操作码，对使用频率低的指令分配较长的操作码。
- 特点: 是一种理论上最优的编码方法，可以得到最短的平均码长。但生成的编码长度不规整，硬件译码困难。
扩展操作码法:
- 是哈夫曼思想的一种工程实践。它将指令按地址数量或使用频率分组，为高频或地址多的指令分配短码，为低频或地址少的指令分配长码。
- 比哈夫曼编码规整，更易于硬件实现。

3.5.2 从复杂指令系统到精简指令系统 (CISC vs. RISC)

1. 复杂指令系统计算机 (CISC - Complex Instruction Set Computer)

设计思想: 增强指令功能，用一条复杂的指令代替一串简单的指令，力图缩小高级语言与机器语言的"语义差距"。
特点:
- 指令数量多，功能复杂。
- 指令长度可变，格式多样。
- 支持多种复杂的寻址方式。
- 控制器大多采用微程序控制。

2. 精简指令系统计算机 (RISC - Reduced Instruction Set Computer)

设计思想: 基于 "80-20" 原则（程序中80%的时间在执行20%的简单指令），简化指令系统，提高执行效率。将复杂功能交给编译器用简单指令组合实现。
特点:
- 指令数量少，功能单一。
- 指令长度固定，格式规整。
- 寻址方式少，通常只有 LOAD/STORE 指令能访问内存。
- 大量使用寄存器，采用 "Load-Store" 结构。
- 控制器大多采用硬布线逻辑，易于实现指令流水线。

CISC 与 RISC 对比

特性	CISC (复杂指令集)	RISC (精简指令集)
指令系统	复杂、庞大 (>200条)	简单、精简 (<100条)
指令长度	不固定	固定
寻址方式	多 (>4种)	少 (<4种)
访存指令	无限制	仅 `LOAD` 和 `STORE` 指令
通用寄存器	较少	较多
控制器	微程序控制	组合逻辑控制 (硬布线)
编译优化	较难	容易
执行效率	单条指令执行时间相差大	绝大多数指令在一个时钟周期内完成

3.5.3 设计RISC的关键技术

重叠寄存器窗口 (Overlapping Register Windows):
- 目的: 加快子程序调用时的参数传递和现场保存。
- 方法: CPU内设置大量寄存器，并划分为多个"窗口"。调用子程序时，切换窗口，通过让父程序和子程序的窗口部分重叠来实现快速的参数传递，避免了频繁访存。
延迟转移技术 (Delayed Branch):
- 目的: 解决流水线中由转移指令引起的"断流"问题。
- 方法: 编译器在转移指令之后插入一条或多条与转移结果无关的有效指令（称为延迟槽指令）。无论转移是否发生，这些指令都会被执行，从而填补了流水线的空闲，提高了效率。
指令流调整和编译优化:
- RISC 的性能在很大程度上依赖于编译器的优化能力。编译器负责将高级语言高效地翻译成简单的RISC指令序列，并通过指令调度来解决数据相关、资源冲突等流水线问题。

易考点和难点

易考点

核心考点: CISC和RISC的特点对比。这是一个非常经典的考点，需要熟记对比表格中的各项内容。
易考点: 理解RISC为提高流水线效率而采用的关键技术，特别是延迟转移的基本思想。

难点

难点: 深入理解重叠寄存器窗口的工作原理和延迟转移的实现细节。