A.2 指令集体系结构的分类

处理器内部存储的类型是最基本的区别，因此本节集中讨论体系结构这一部分的不同选择。主要方案是栈、累加器或一组寄存器。操作数可以显式指定，也可以隐含指定：栈体系结构的操作数隐含在栈顶；累加器体系结构则隐含地以累加器作为一个操作数。通用寄存器体系结构只使用显式操作数，即寄存器或存储单元。图 A.1 给出这些体系结构的框图，图 A.2 展示代码序列 $C=A+B$ 在这三类指令集中通常如何表示。根据体系结构类别和具体指令的选择，显式操作数可以直接从存储器访问，也可能需要先装入临时存储位置。

这些图说明，寄存器计算机实际上分为两类。一类允许任意指令在执行时访问存储器，称为寄存器—存储器体系结构；另一类只允许加载和存储指令访问存储器，称为加载—存储体系结构。第三类把所有操作数放在存储器中，称为存储器—存储器体系结构，但如今销售的计算机中已经没有这一类。有些指令集体系结构的寄存器多于单一累加器，但限制了这些专用寄存器的用途；这种体系结构有时称为扩展累加器计算机或专用寄存器计算机。

虽然早期计算机大多采用栈或累加器体系结构，但 1980 年之后设计的几乎所有新体系结构，都采用加载—存储寄存器体系结构。通用寄存器（general-purpose register，GPR）计算机兴起，主要有两个原因。第一，寄存器与处理器内其他存储形式一样，速度比存储器快。第二，对于编译器而言，寄存器比其他内部存储形式更容易高效利用。例如，在寄存器计算机上，计算表达式 $(A\times B)+(B\times C)-(A\times D)$ 时，可以按任意次序进行乘法；考虑到操作数的位置或流水线因素，这种自由可能提高效率（见第 3 章）。但在栈计算机中，由于操作数隐藏在栈内，硬件只能按一种次序计算表达式，而且可能需要多次装入同一个操作数。

图内术语：Processor＝处理器；Memory＝存储器；Stack＝栈；Accumulator＝累加器；Register-memory＝寄存器—存储器；Register-register/load-store＝寄存器—寄存器／加载—存储。

更重要的是，寄存器可以保存变量。将变量分配到寄存器之后，存储器流量减少，程序执行加快（因为寄存器比存储器快），代码密度也提高（因为指定一个寄存器所需的位数比指定一个存储单元少）。

A.8 节将说明，编译器作者希望所有寄存器地位相同，且不保留作特定用途。较早的计算机把一些寄存器分配给专门用途，违背了这一期望，实质上减少了通用寄存器的数量。如果真正通用的寄存器太少，尝试将变量分配到寄存器就得不偿失；编译器反而会把所有尚未指定用途的寄存器都留给表达式求值。

多少寄存器才足够？答案当然取决于编译器的有效性。多数编译器会留出一些寄存器计算表达式，用一些寄存器传递参数，再将其余寄存器分配给变量。现代编译技术能够有效使用更多寄存器，促使较新的体系结构增加了寄存器数量。

GPR 体系结构可按两项主要指令集特征分类。这两项都与典型算术或逻辑指令（ALU 指令）的操作数有关。第一项是 ALU 指令采用两个还是三个操作数。三操作数格式包含一个结果操作数和两个源操作数；两操作数格式则让其中一个操作数同时充当源和结果。第二项是 ALU 指令中有多少个操作数可以是存储器地址。典型 ALU 指令支持的存储器操作数可以从零个到三个。图 A.3 列出这两个属性的组合及相应计算机实例。虽然共有七种可能组合，但其中三种足以对几乎所有现有计算机分类。如前所述，它们是加载—存储（也称寄存器—寄存器）、寄存器—存储器，以及存储器—存储器。

图 A.4 给出各方案的优缺点。它们当然不是绝对结论，而是定性描述；实际影响取决于编译器与实现策略。即使 GPR 计算机提供存储器—存储器操作，编译器也完全可以忽略这些操作，将它当作加载—存储计算机使用。体系结构最普遍的影响之一，是改变指令编码以及完成一个任务所需的指令数。附录 C 和第 3 章将讨论这些体系结构方案如何影响具体实现方法。

小结：指令集体系结构的分类

本节及 A.3–A.8 各节末尾，将总结一种新指令集体系结构应当具备的特征，为 A.9 节介绍的 RISC-V 体系结构奠定基础。从本节可以明确看出，新设计应采用通用寄存器。结合图 A.4 与附录 C 对流水线的讨论，可以进一步预期，它应当是一种采用加载—存储方式的通用寄存器体系结构。

讨论了体系结构类别，接下来考察操作数寻址。