计算机指令系统的发展与性能要求

"第4章 指令系统.pdf" 指令系统是计算机硬件和软件之间的桥梁，它是计算机硬件设计的核心组成部分，也是衡量计算机性能的关键因素之一。本章详细介绍了指令系统的发展历程及其对性能的要求。 4.1.1 指令系统的发展 计算机指令系统从早期的简单指令集发展到现在的复杂指令系统计算机（CISC）和精简指令系统计算机（RISC）。在50年代，计算机的指令系统相对简单，主要包含定点加减、逻辑运算、数据传送和转移指令。随着技术的进步，60年代后期，指令集逐渐丰富，加入了乘除运算、浮点运算、十进制运算和字符串处理等功能，指令数目显著增加。同时，出现了系列计算机，保证了指令系统的兼容性，使得旧软件能在新机型上无缝运行，降低了软件开发成本。70年代末，复杂的指令系统带来了新的问题，如正确性保证困难、维护不便以及硬件资源的浪费，这导致了RISC的提出，旨在简化指令系统，提高效率。 4.1.2 对指令系统性能的要求 - 完备性：完备的指令系统应能支持编写各种程序的需求，无需通过软件模拟额外的功能。这要求指令系统具备丰富多样的指令，方便用户使用。 - 有效性：有效性的指令系统能够使程序占用较少的存储空间，执行速度更快。强大的指令集通常意味着更高的执行效率。 - 规整性：规整性关乎指令系统的结构一致性。对称性意味着指令系统中所有寄存器和存储器应平等地被所有指令访问，而匀齐性是指类似操作的指令应具有相同的处理方式。此外，一致的数据格式和指令格式有助于简化设计和提高执行效率。 - 可扩展性和兼容性：随着技术的发展，新的指令需要能够适应并增强现有系统，同时保持与旧系统的兼容性，以便软件能够在不同计算机平台上运行。 指令系统的这些特性不仅影响硬件设计，还对操作系统、编译器和应用软件的开发产生深远影响。设计一个平衡完备、高效且规整的指令系统是计算机设计中的核心挑战之一。随着微电子技术的进步，未来的指令系统可能会继续演变，以适应新的计算需求和优化目标。