2-2-1 ISA
“数据”和“指令”是否混合使⽤的争论导致两种常见的计算机体系结构
哈弗结构是指令和数据分开存储（单周期数据通路和流水线用的是哈弗结构）
冯诺伊曼结构式指令和数据一起存储（多周期数据通路用的是冯诺依曼结构）
- Central Processing Unit 中央处理单元 (CPU)： 取指、 解释和执⾏⼀组指定的操作， 称为指令。
- Memory 内存： 存储N个字， 每个W位， 其中W是⼀个固定的架构参数， N可以扩展以满⾜需要。
- Input/Output I/O： 与外界通信的设备。
寄存器一般是在CPU中，存取快速
冯诺伊曼体系结构
存储程序
- 指令在内存中以线性阵列存储
- 指令和数据统⼀编址
指令顺序执⾏
- ⼀次执⾏⼀条指令 (取指, 执⾏, 完成)
- 程序计数器PC(指令指针) 指向当前指令
- 程序计数器顺序递增， 除非遇到转移指令
程序计数器/PC：下⼀条指令执行地址
冯诺依曼结构和哈弗结构不同
冯诺依曼架构模型
- 指令和数据存于统⼀的存储器中(“main memory”) 即内存不仅保存有数据，还有组成程序的指令
- 所有指令顺序执⾏（或⾄少对程序员来说是顺序执⾏的）
指令集系统结构(Instruction Set Architecture, ISA)
概念
- 指令(Instruction)： 计算机硬件可以执⾏的表示⼀种基本操作的⼆进制代码
- 指令集(Instruction Set)： 计算机中所有指令的集合
- 指令集系统结构(InstructionSet Architecture, ISA)：计算机硬件与底层软件之间的界⾯， 是机器语⾔程序员所需了解的计算机的属性， 如： 指令集、数据类型及表示、 寄存器组织、存储器的组织和寻址⽅式、 I/O结构、 中断机制、 保护机制等
指令系统概述
机器指令的要素
- 操作码(Operation Code)： 指明进⾏的何种操作（如 ADD, MOV， I/O）
- 源操作数地址(Source Operand Reference)： 参加操作的操作数的地址， 可能有多个 rs rt
- 目的操作数地址(Destination Operand Reference)：保存操作结果的地址 rd
- 下条指令的地址(Next Instruction Reference)：指明下⼀条要运⾏的指令的位置， ⼀般指令是按顺序依次执⾏的， 所以绝⼤多数指令中并不显式的指明下⼀条指令的地址， 也就是说， 指令格式中并不包含这部分信息。 只有少数指令需要显式指明下⼀条指令的地址 （一般跳转指令才会需要，因为需要从子程序回到主程序）
指令类型
数据传送指令： 寄存器与存储器之间， 寄存器之间传递数据
- 取数、 存数、 传送、 交换、 设置/清除指令（Mov, Store, Load, Set等）
- 串操作指令（MOVSB， MOVSW）
- I/O指令： IN， OUT
- 堆栈指令： PUSH， POP
算术/逻辑运算指令（算数指令符号扩展，逻辑指令零扩展）
- 算术运算指令： 定点数、 浮点数、 ⼗进制数的加减乘除运算
- 逻辑运算指令： 与/或/非/异或等逻辑运算（And, Or, Not, Xor等）
- 移位指令： 算术移位， 逻辑移位， 循环移位
- 向量运算指令： 对整个向量或矩阵求和、 求积等运算
程序控制类指令
- 转移指令： ⽆条件转移指令， 有条件转移指令
- 循环控制指令（LOOP）
- 子程序调⽤与返回指令（CALL， RET）
- 程序中断指令及返回（INT， IRET）
其它指令：
多⽤户多任务系统中的特权指令； 复位/暂停/空操作等指令等等
操作数
ISA种类
根据操作数的存储位置和⽅法， ISA可分为：
- 堆栈类（Stack）
- 累加器类（Accumulator）
- 通⽤寄存器类（General Purpose Register）
CISC 和 RISC
CISC指令系统的特点
➢ 指令系统复杂庞⼤（⼀般数百条指令） ； ➢寻址⽅式多， 指令格式多， 指令字长不固定； ➢可访存指令不受限制； ➢各种指令使⽤频率相差很⼤； ➢各种指令执⾏时间相差也很⼤； ➢⼤多数采⽤微程序控制器。
RISC技术
➢ 把使⽤频率为80%的、 在指令系统中仅占20%的简单指令保留下来， 消除剩下80%的复杂指令， 复杂功能⽤⼦程序实现 ➢ 不⽤微程序控制， 采⽤简单的硬连线控制， 控制器极⼤简化，加上优化编译配合硬件的改进， 使系统的速度⼤⼤提⾼ ➢ 短周期时间、 单周期执⾏指令（指令执⾏在⼀个机器周期内完成） ➢ Load（取） /Store（存） 结构， 取数（存储器—>寄存器） 、 存数（寄存器—>存储器） ➢ ⼤寄存器堆， 寄存器数量较多 ➢ 哈佛（Harvard） 总线结构， 指令Cache、 数据Cache， 双总线动态访问机构 ➢ ⾼效的流⽔线结构、 延迟转移、 重叠寄存器窗⼝技术等
RISC的指令系统的特点
➢ 处理器通⽤寄存器数量较多； ➢ 由使⽤频率较⾼的简单指令构成； ➢ 简单固定格式的指令系统； ➢ 指令格式种类少， 寻址⽅式种类少； ➢ 访问内存仅限Load/Store指令， 其他操作针对寄存器； ➢ 指令采⽤流⽔技术。
