A Quantitative Approach-appendix K（1）——RISC指令系統的基本比較

1. RISC體系結構可以分為兩個組

   • 為了桌面和伺服器服務的RISCs：Digital Alpha，MIPS，HP PA-RISC，IBM and Motorola PowerPC，Sun Microsystems SPARC
     

   • 為嵌入式服務的RISCs：ARM，Thumb，Hitachi SuperH（日立），Mitsubishi M32R（三菱），MIPS16
     

2. 常零暫存器的作用：（PowerPC可以使用ALU操作，修改該暫存器。常量暫存器重要在適用於桌面和伺服器的ISA中有，但是在嵌入式體系結構中沒有保留這個暫存器）

   • 在偏移定址中，以0為基址可以合成絕對地址定址模式
   • 暫存器間接定址，可以使用0作為偏移量來合成

3. RISC的定址模式和指令格式

   • 大部分的程式碼引用都是PC相關的引用，儘管jump register是用於程式返回，case語句和函式跳轉

   • 對於32定長指令，PC相關的分支指令在使用偏移時，會先將其左移2位；對於16位定長指令，左移1位

   • 對於桌面RISC指令，每種指令系統都是四種主要的指令格式；但是在嵌入式中，會有六種指令格式。這個是因為為了更小的程式碼大小需要提供更多的指令格式

   • 不同的RISC指令系統，在將常量擴充套件為暫存器寬度時，所做的工作很相似，但是不一樣

   • 定址模式的支援。PA-RISC還具有偏移定址模式的短地址版本，MIPS64有浮點load/store的索引定址模式。SuperH和M32R有獨立的暫存器間接和暫存器+偏移定址模式，而不是使用0暫存器來實現暫存器間接定址。在直到資料寬度的情況下，ARM和Thumb會將偏移量左移1或者2位
     
     

   • 立即數擴充套件：MIPS的跳轉和呼叫指令中的常量沒有擴充套件，因為使用時是直接替換PC的低位，而保持高位不變。PA-RISC沒有邏輯立即數指令。16位長度的指令具有比桌面RISCs短得多的立即數，通常只有5到8位。
     

4. 指令對比，以MIPS的部分指令為基準，進行對比。幾乎所有的MIPS指令在其它體系中都有。表中指令的對比以MIPS為基準，可能一條MIPS指令，會在其它ISA中由多條指令組合完成同樣的功能，此時這些指令以分號分割；同時在其它ISA中可能會有多條指令能夠完成MIPS的一條指令的功能，此時這些指令以逗號分割

   • 資料傳輸類指令
     
     

   • 算術邏輯運算指令：在算術/邏輯類中，除SPARC之外的所有機器都使用單獨的指令助記符來指示立即運算元；SPARC提供了這些指令的立即數版本，但只使用了一個助記符，但是是獨立的操作碼
     
     

   • 控制指令
     
     

   • 浮點指令，嵌入式系統中，通常不定義浮點指令
     

   • 暫存器使用約定和偽指令
     
     

5. RISC指令系統的比較和條件分支指令的差異

   • SPARC使用傳統的四位元的條件碼儲存程式狀態：negative，zero，carry，overflow。在算術/邏輯運算指令都可能進行設定。
     • 顯式的比較操作，需要將R0作為目的運算元來完成
     • 浮點使用單獨的條件碼和一條浮點比較指令。
     • SPARC的第九個版本中，增加了四種方式來擴充套件分支指令：為64位操作提供獨立的條件碼集合；暫存器和零進行各種比較；三個新的用於浮點的條件碼集合；編碼了靜態分支預測資訊的分支指令
   • PowerPC也是用了四個條件碼：大於，小於，等於，溢位。每個條件碼有8個副本，以減少指令之間的使用競爭，8個副本即代表有8個四位的條件碼暫存器
     • 整型指令可以通過一個選項位的設定，來使得指令執行之後，通過和R0比較，設定第一個條件碼暫存器
     • PowerPC提供了條件碼暫存器之間的邏輯操作，從而提供更復雜的分支條件
   • MIPS使用暫存器的內容來執行條件分支，例如BEQ，BNE等。同時提供了set-on-less-than指令，來比較兩個運算元，然後設定目的暫存器
     • MIPS包含了特殊的比較分支指令，例如BGEZ，BLEZ等
     • 對於浮點操作，MIPS I使用條件碼來完成分開的比較指令和分支指令。MIPS IV將條件碼擴充套件為8個，分支指令和比較指令能夠指定使用哪一個條件碼
   • Alpha的比較指令（CMPEQ，CMPLE等）比較兩個源運算元，然後根據結果設定目的暫存器。浮點比較指令（CMTEQ, CMTLT, CMTLE, CMTUN）也是類似的使用方式。分支指令則是將一個暫存器的值和0進行比較或者是最低有效位和0比較，然後決定是否跳轉
   • PA-RISC最直接的分支指令是COMB（比較並跳轉指令）
   • ARM類似於SPARC，提供了四種可以選擇設定的條件碼。同時使用不同的特殊指令，完成條件碼的設定。ARM的一個特點在於，每條指令都可以根據狀態碼來選擇是否執行
   • Thumb和ARM很像，但是狀態碼不再是可選的，沒有TEQ指令（用於設定前三個條件碼），沒有條件執行的指令
   • Hitachi SuperH，只有一個單獨的T狀態位，通過比較指令設定，然後指導跳轉
   • M32R只有一個單獨的條件狀態碼C，使用比較指令進行設定，實現類似於set-on-less-than指令一樣的功能。同時提供了兩條分支指令使用C。除此之外，M32R提供了一些32位的和零比較指令，包括大於，小於，等於…
   • MIPS 16保留set-on-less-than指令，但是置位結果放入一個專門的T暫存器。同時MIPS 16增加了CMP，CMPI指令來完成相等比較，結果也放入T暫存器中，同時刪除了BEQ和BNE指令。MIPS 16還提供了比較暫存器內容是否為0的分支指令，和測試T暫存器是否為零的分支指令