指令系统概述

一、指令系统概述

指令系统分为CISC与RISC，各有特点，RISC因高效性更适用于现代高性能计算。流水线技术是提升指令执行效率的关键，理解其周期、执行时间、吞吐率、加速比等概念对掌握其优势至关重要。建议通过例题加深对公式及概念的理解与应用。

1.指令系统的定义

指令系统是计算机硬件的语言系统，即计算机所能执行的全部指令的集合，反映其基本功能。

2.类比理解

类比扫地机器人能完成扫地、拖地、喷水等功能，计算机指令系统体现其可执行的操作。

二、指令的组成

1.操作码字段（OP）

表示指令的功能，如加减乘除、与或非、转移跳转等。

2.地址码字段（AD）

表示操作数的地址或直接操作数，决定操作对象在内存或寄存器中的位置。

3.控制器处理

操作码字段需通过指令译码器进行翻译，以执行相应操作。

三、复杂指令系统（CISC）

1.定义与背景

CISC（Complex Instruction Set Computer）旨在通过增加复杂指令提升计算机功能。

2.特点

• 指令数量众多，可达数百条。
• 指令使用频率遵循“28原则”：20%常用指令占程序中80%出现频率。
• 支持多种寻址方式。
• 指令长度不固定，增加译码复杂度。
• 可直接对主存数据处理，效率较低。
• 以微程序控制为主，通过微指令生成控制信号。

四、精简指令系统（RISC）

1.定义与思想

RISC（Reduced Instruction Set Computer）基于“28原则”精简指令集，保留高频指令。

2.特点

• 指令数量少。寻址方式少。
• 指令长度固定，格式统一。
• 以硬布线逻辑控制为主，速度更快。
• 单指令单周期执行，采用流水线技术。
• 编译优化更简单。
• CPU中通用寄存器数量多，提升执行速度。
• 总体执行效率高于CISC。

五、流水线技术介绍

1.概念来源

借鉴工业流水线思想，如汽车装配中工人并行工作，提升整体效率。

2.计算机中的应用

指令执行分为多个阶段（如取指、分析、执行），每个阶段由独立硬件并行处理。

3.发展历程

• 顺序执行：指令串行执行，效率低。
• 重叠执行：部分并行，提升有限。
• 流水线执行：全面并行，效率大幅提升。

六、流水线执行时间计算

1.流水线周期定义

• 流水线周期为各阶段中执行时间最长的一段。
• 公式

T_总 = T₁ + T₂ + … + T_k + (n − 1) ⋅ ΔT

其中：

• T₁ + T₂ + … + T_k：第一条指令执行时间。
• ΔT：流水线周期。
• n：指令总数。

2.例题解析

• 指令分三段，时间分别为2ns、2ns、1ns。
• 执行100条指令：

T_总 = (2 + 2 + 1) + (100 − 1) ⋅ 2 = 5 + 198 = 203 ns

七、流水线相关性能指标

1.吞吐率（TP）

单位时间内执行的指令数。

例：100条指令，总时间203ns →

2.最大吞吐率（TP_max）

例：

八、加速比（S）

不使用流水线与使用流水线执行时间的比值。

例：顺序执行时间500ns，流水执行203ns →