"计算机组成原理-指令系统.ppt"
计算机组成原理是理解计算机硬件系统运行机制的基础,而指令系统是计算机硬件与软件交互的核心。在本章中,我们将深入探讨指令系统的发展历程、性能需求以及其重要特性。
4.1 指令系统的发展与性能要求
计算机的发展经历了从早期简单的指令集到后来复杂的指令集,再到精简指令集的过程。在50年代,计算机的指令系统相对简单,主要包含基础的算术和逻辑运算以及数据传输和控制转移指令。随着技术的进步,60年代后期,指令集逐渐丰富,增加了如乘除、浮点运算、十进制处理和字符串操作等高级功能,指令数量显著增加。这导致了CISC(复杂指令集计算机)的出现,但同时也带来了指令执行周期长、硬件资源利用率低等问题。
70年代末,为了提高效率并简化硬件设计,RISC(精简指令集计算机)概念被提出。RISC设计强调指令集的精简,减少了指令数量,优化了指令执行,使得指令执行速度更快,同时降低了控制器的设计复杂度。RISC与CISC的一个关键区别在于,RISC遵循了80/20原则,即20%的指令完成了80%的工作。
4.1.1 完善的指令系统应具备的条件
1. 完备性:指令系统应涵盖所有必要的操作,以满足各种程序的编写需求,提供足够的功能。
2. 有效性:良好的指令系统应能有效利用存储空间,提高执行效率,减少程序的执行时间。
3. 规整性:包括对称性、匀齐性和一致性。对称性意味着所有组件都能平等使用,匀齐性则表示同一类型的指令可以处理不同类型的数据,而一致性则涉及指令长度和数据格式之间的关系,以简化处理和存取过程。
4. 兼容性:指令系统需要支持“向上兼容”,这意味着新版本的计算机应能执行旧版本的程序,确保软件的投资保护。
4.1.2 指令系统的性能要求
衡量指令系统性能的关键因素包括指令执行的速度、指令的多样性、内存访问效率以及指令的结构是否规整。指令执行速度直接影响到计算机的整体性能,而指令多样性则关系到编程的灵活性。高效的内存访问能够减少数据交换的时间,提升计算效率。最后,规整的指令结构有利于硬件设计和软件编译,降低系统复杂性。
总结来说,指令系统是计算机的灵魂,它的设计和优化直接影响到计算机的性能、编程的便捷性和软件的兼容性。从CISC到RISC的转变,反映了计算机科学对效率和简洁性的追求,也是计算机技术不断演进的体现。