二、指令系統(tǒng)
（一） 指令集體系結(jié)構(gòu)的分類
1.分類的依據(jù)
從體系結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)對(duì)指令集進(jìn)行分類，可以根據(jù)下述五種尺度:（1）操作數(shù)在CPU中的存儲(chǔ)方式，即操作數(shù)從主存中取來(lái)后要把它保存在什么地方。
（2）顯式操作數(shù)的數(shù)量，即在條典型的指令中有多少個(gè)顯式命名的操作數(shù)。
（3）操作數(shù)的位置，即任一個(gè)ALU指令的操作數(shù)能否放在主存中，或者必須把某些操作甚至全部操作數(shù)都放在CPU的內(nèi)部存儲(chǔ)器中?如果某操作數(shù)要放在主存中，那么它是如何定位的?
（4）指令的操作，即在指令集中提供哪些操作?
（5）操作數(shù)的類型與大小，即每個(gè)操作數(shù)是什么類型、尺寸大小，以及怎樣對(duì)它規(guī)定。
2.按暫存機(jī)制分類
根據(jù)在CPU內(nèi)部存儲(chǔ)操作數(shù)的區(qū)別，可以把指令集體系分為三類。這三類分別為:堆棧（stack）、累加器（accumulator）和寄存器集（a set of registers）。
3.通用寄存器機(jī)的分類
通用寄存器機(jī)（general-purpose register machines）簡(jiǎn)稱GPR機(jī)。GPR的關(guān)鍵性優(yōu)點(diǎn)起因于編譯程序能有效地使用寄存器，無(wú)論是計(jì)算機(jī)表達(dá)式的值，還是從全局的角度使用寄存器來(lái)保存變量的值。在表達(dá)式求解時(shí)，寄存器比堆?；蛘呃奂悠髂芴峁└屿`活的次序。更重要的是寄存器能用來(lái)保存變量。當(dāng)變量分配給寄存器時(shí)，訪存流量（memory traffic）就會(huì)減少，程序運(yùn)行就會(huì)加速，而且代碼密度也會(huì)得到改善?？梢杂弥噶罴膬蓚€(gè)主要特征來(lái)區(qū)分GPR體系結(jié)構(gòu)。這兩個(gè)特征都是關(guān)于ALU指令即典型的算術(shù)邏輯指令中操作數(shù)的本質(zhì)。第一個(gè)是ALU指令有兩個(gè)或三個(gè)操作數(shù)。在三操作數(shù)格式中，指令包括兩個(gè)源操作數(shù)物一個(gè)目的操作數(shù)。在二操作數(shù)格式中，有一個(gè)操作數(shù)既是源操作數(shù)又是目的操作數(shù)。第二個(gè)是ALU指令中有幾個(gè)操作數(shù)是存儲(chǔ)器地址，對(duì)典型的ALU指令，這個(gè)數(shù)可能在1與3之間。
（二） 指令格式及其優(yōu)化
1.指令格式的設(shè)計(jì)考慮對(duì)于指令格式（instruction format）的設(shè)計(jì)有一些優(yōu)先考慮的原則:
（1）關(guān)于指令的長(zhǎng)度，短指令要比長(zhǎng)指令更節(jié)約些。盡管存儲(chǔ)器的價(jià)格越來(lái)越便宜，但設(shè)計(jì)者還是不愿意浪費(fèi)它們。
（2）還要考慮是否有足夠的空間表示所有期望的操作。來(lái)源：www.examda.com
（3）在GPR結(jié)構(gòu)中，無(wú)論是哪種寄存器與存儲(chǔ)器類型，提高存取指令的速度都是應(yīng)該考慮的一個(gè)重要原則。存儲(chǔ)器的存取速度越高，就能給處理機(jī)提供更多的指令進(jìn)行處理。在一定的存取速率下，如果平均指令長(zhǎng)度較短，那么存儲(chǔ)器就能供應(yīng)更多的指令。
（4）機(jī)器字長(zhǎng)（word length）應(yīng)該是字符長(zhǎng)度（character length）的整數(shù)倍。否則，在存儲(chǔ)字符時(shí)就會(huì)造成浪費(fèi)，而且也會(huì)造成尋址困難。
（5）尋址字段長(zhǎng)度的選擇。假設(shè)存儲(chǔ)空間是2 19 位，如果存取單位的大小不同，則地址長(zhǎng)度也不相同。
2.指令格式化
指令格式的優(yōu)化既包括指令碼的優(yōu)化，也包括操作數(shù)的優(yōu)化。所謂指令格式的優(yōu)化就是從整個(gè)指令系統(tǒng)的利用率角度出發(fā)，盡量設(shè)法減少指令中的冗余信息量，以便用最少的位數(shù)提供足夠的操作信息和地址信息。
3.哈夫曼編碼
哈夫曼編碼的基本概念是:對(duì)發(fā)生概率高的事件用短碼表示，對(duì)發(fā)生概率低的事件用長(zhǎng)碼表示，這樣做的結(jié)果可以使平均編碼長(zhǎng)度明顯壓縮，使之很接近理論編碼長(zhǎng)度。要對(duì)指令碼進(jìn)行優(yōu)化表示，就必須知道每條指令在程度中出現(xiàn)的概率，即指令的使用頻度，一般都是通過(guò)對(duì)大量已有的典型程序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而求得。獲得使用頻度后，即可根據(jù)這些數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)哈夫曼樹。具體算法是:把各指令按使用頻度從小到大排序;從中取出最小與次最小的兩個(gè)指令作為葉結(jié)點(diǎn)構(gòu)成二叉樹，其根為兩結(jié)點(diǎn)頻度之和，并把比值插入到頻度序列中;遞歸地使用此法繼續(xù)構(gòu)造二叉樹，直到全部指令都作為葉結(jié)點(diǎn)使用完為止。有了哈夫曼樹（它是一個(gè)二叉樹），即可用它進(jìn)行編碼。具體做法是:從根結(jié)點(diǎn)開始，把樹的左子樹線段標(biāo)為1，右子樹線段標(biāo)為0，直至葉結(jié)點(diǎn)。然后從每個(gè)指令所在的葉結(jié)點(diǎn)位置開始，沿最短路徑到達(dá)各個(gè)葉結(jié)點(diǎn)并依次寫下沿線的0、1序列。就得到該指令的哈夫曼編碼。（三） 指令集的復(fù)雜化