計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2012年春）----指令集設計：基礎知識

1、課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君山東大學計算機學院 戴鴻君 課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君數(shù)據(jù)表示cisc與riscli-2.1,li-2.2,li-2.4pa-b.2, pa-b.32021-12-2課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 高級數(shù)據(jù)表示 浮點數(shù)尾數(shù)基值大小和下溢處理方法的選擇（選講）2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君定義：機器硬件能直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。條件：相應的運算指令和運算硬件(處理部件)。分類：基本數(shù)據(jù)表示、高級數(shù)據(jù)表示、自定義數(shù)據(jù)表示。目標： 縮小高級語言和機器語

2、言間的語義差別 提高性能/價格比 節(jié)省處理時間和存儲空間實現(xiàn)：最小的存儲空間、最簡單的存取算法。2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君數(shù)據(jù)表示：由硬件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向計算機系統(tǒng)軟件、面向應用領域所需處理的數(shù)據(jù)類型。由軟件實現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型。 目標：最大限度滿足應用要求、最簡化的方法實現(xiàn)。 實現(xiàn)：通過數(shù)據(jù)表示和軟件映象相結(jié)合方法實現(xiàn)。數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)類型的子集。數(shù)據(jù)表示的確定實質(zhì)上是軟、硬件的取舍問題數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示是軟、硬件的界面 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君定義：具有一組值的集合，且定義了作用于該集合的操作集。 目的：

3、防止不同類型數(shù)據(jù)間的誤操作。 分類：基本類型、結(jié)構(gòu)類型?；緮?shù)據(jù)類型 內(nèi)容：二進制位、二進制位串、整數(shù)、十進制數(shù)、浮點數(shù)、字符、布爾數(shù)等。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型定義：由一組相互有關的數(shù)據(jù)元素復合而成的數(shù)據(jù)類型。 分類：系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型、用戶自定義數(shù)據(jù)類型 內(nèi)容：數(shù)組、字符串、向量、堆棧、隊列、記錄等2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君數(shù)值的表達 進位制數(shù)、負數(shù)、小數(shù)點的方式 字符和符號的表達 ascii碼 數(shù)據(jù)單位的表達 字：邏輯單位，一條指令處理的數(shù)據(jù)單位。 字節(jié)、半字、字、雙字 數(shù)據(jù)的屬性 類型、存放的位置、對數(shù)據(jù)的約束 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟

4、件學院 戴鴻君定點數(shù)據(jù)表示 用定點數(shù)表示浮點數(shù) 不方便而低效 50年代提出變址操作，為向量、陣列提供方便。 用循環(huán)遍歷向量和陣列可變長字符串數(shù)據(jù)表示 支持串數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn) 用于輸入、輸出、事務處理和編譯2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君自定義數(shù)據(jù)表示（self_defining） 帶標識符的數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)描述符 向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 堆棧數(shù)據(jù)表示2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君 主要用于指明數(shù)據(jù)類型（如二進制整數(shù)、十進制整數(shù)等，也可用于指明及其內(nèi)部所用信息的各種類型。 對高級程序員透明。 類型標志數(shù)據(jù)值2021-12-課程編號：13

5、041000山東大學軟件學院 戴鴻君優(yōu)點:簡化指令系統(tǒng)和程序設計簡化編譯程序便于一致性校驗能由硬件自動完成數(shù)據(jù)類型的變換支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無關的要求為軟件調(diào)試和應用軟件開發(fā)提供支持； 缺點：n使程序所占用的主存空間增加（如下圖）n降低指令的執(zhí)行速度；2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君ab采用標識符數(shù)據(jù)字增長不采用標識符數(shù)據(jù)（少）指令（多）采用標識符指令字縮短通常有面積b面積a2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君101各種標識符長度地址000數(shù)據(jù)描述符 數(shù)據(jù)目的：描述復雜和多維的結(jié)構(gòu)類型。2021-12-課程編號：1304

6、1000山東大學軟件學院 戴鴻君標識符是和每一個數(shù)據(jù)相連的，合存在一個存儲單元中，描述單個數(shù)據(jù)的類型特征。 描述符是和數(shù)據(jù)分開存放的，專門用來描述所要訪問的數(shù)據(jù)是整塊數(shù)據(jù)還是單個數(shù)據(jù)，訪問該數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)元素需要的地址以及其他特征信息等。 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君實現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的索引比變址方法實現(xiàn)的好，而且能檢查程序設計中陣列越界錯誤。 為向量、數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供一定的支持，有利于簡化編譯中的代碼生成。工作過程：如下圖2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君010000000010010010xy操作碼指令描述符描述符地址生成

7、邏輯（數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊主存儲器2021-12-1013101410141014000a11000a12000a13000a14000a21000a22000a23000a24000a31000a32000a33000a343433323124232221141312114*3aaaaaaaaaaaaa二維陣列2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君有利于編譯和子程序調(diào)用。 堆棧機器：具有堆棧數(shù)據(jù)表示的機器。有若干高速寄存器組成的硬件堆棧，并附加控制電路讓它與主存中的堆棧區(qū)在邏輯上組成一個整體，使堆棧的訪問速度是寄存器的，堆棧的容量是主存的；有很豐富的堆棧操作

8、類指令（數(shù)十條）且功能很強，直接可對堆棧中的數(shù)據(jù)進行各種運算和處理；2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君有力地支持高級語言程序的編譯；算術(shù)賦值表達式 f=a*b+c/(d-e) 逆波蘭表達式 ab*cde-/+有力地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用。 減少大量輔助性工作 多使用零地址指令 存儲效率高2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君二進制的定點數(shù) 符號數(shù)值、反碼、補碼浮點數(shù)數(shù)據(jù)表示 ieee標準754 1985年 提出 三部分：符號位、指數(shù)、尾數(shù)浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇浮點數(shù)尾數(shù)下溢處理方法 2021-12-課程編號：13041000山東大學

9、軟件學院 戴鴻君william kahan 加州大學伯克利分校數(shù)學系教授 幫助intel公司設計了8087浮點處理器 1989年圖靈獎this standard defines a family of commercially feasible ways for new systems to perform binary floating-point arithmetic2021-12-21課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君若e=0且m=0，n為0若e=0且m0，n=(-1)s2-126 (0.m)，非規(guī)格化數(shù)；若1e254，n=(-1)s2e-127 (1.m)，規(guī)格化數(shù)；若

10、e=255且m 0，n=nan（非數(shù)值）；若e=255且m = 0，n= (-1)s （無窮大）2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君000110110000:000:111:011:1x處理結(jié)果恒置“1”法000110110000:000:111:011:1x處理結(jié)果截斷法000110110000:000:111:011:1x處理結(jié)果舍入法000110110000:000:111:011:1x處理結(jié)果查表舍入法2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君尋址方式：是指令按什么方式尋找（訪問）到所需的操作數(shù)或信息的。尋址方式分析 邏輯地址與主存

11、物理地址 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君面向主存：主要訪問內(nèi)存，少量訪問寄存器面向通用寄存器：多數(shù)在寄存器，少量在內(nèi)存面向堆棧：主要在堆棧，可減輕編譯負擔 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君尋址方式的種類 立即尋址、直接尋址、間接尋址、相對尋址、變址尋址、寄存器尋址 尋址方式在指令中的指明方式 操作碼占用位：djs200 地址碼設置尋址方式字段：vax-11 尋址靈活、操作碼短 2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君邏輯地址：程序員編寫程序時使用的地址。物理地址：程序在主存中的實際地址。 早期，二者

12、一致一般來講，邏輯地址的空間大于物理地址的空間。 因此，映射實際上是壓縮。2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君靜態(tài)再定位：用軟件方法把目標程序的邏輯地址變換成物理地址，而在程序的執(zhí)行過程中，物理地址不再改變。動態(tài)再定位：在執(zhí)行每條指令時才形成訪存物理地址的方法。通過基址尋址。2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君變址尋址：支持向量、數(shù)組，實現(xiàn)循環(huán)；基址尋址：支持邏輯地址到物理地址的變換，實現(xiàn)動態(tài)再定位；存儲保護：設置多對上、下界寄存器。2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君信息在存儲器中按整數(shù)邊界存儲的概念

13、讓任何時候所需的信息都只用一個存儲周期訪問到，要求信息在主存中存放的地址必須使該信息寬度的整數(shù)倍。即 字節(jié)信息地址：xxxxx 半字信息地址：xxxx0 單字信息地址：xxx00 雙字信息地址：xx000 保證訪存速度 造成浪費2021-12-課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君字字單 字單字雙半字節(jié)8個字節(jié)主存寬度單 字單 字雙 字字節(jié)浪費半字浪 費8個字節(jié)主存寬度2021-12-2021-12-32課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君堆棧型累加器型存儲器-寄存器型寄存器-寄存器型2021-12-332021-12-342021-12-35課程編號：1304100

14、0山東大學軟件學院 戴鴻君如果將一個32位的整數(shù)0 x12345678存放到一個整型變量（int）中，這個整型變量采用大端或者小端模式在內(nèi)存中的存儲由下表所示。地址偏移 大端模式 小端模式 0 x00 12（op0） 78（op3） 0 x01 34（op1） 56（op2） 0 x02 56（op2） 34（op1） 0 x03 78（op3） 12（op0）2021-12-362021-12-37課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君精簡指令系統(tǒng)思想的提出 ibm公司的john cocke設計一個電話交換系統(tǒng)的控制器，1979年研制出32位的ibm 801 小型計算機，120條

15、指令，10mips(1千萬條指令/秒)。 1979年，美國加州大學伯克利分校david patterson研究小組開始研究risc系統(tǒng)。 1981年patterson等人研制了32位risc i微處理器，共31種指令，3種數(shù)據(jù)類型，2種尋址方式；研制周期10個月，比當時最先進的mc68000和z8002快3至4倍； 1983年又研制了risc ii，指令種類擴充到39種，單一的變址尋址方式，通用寄存器138個課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君指令系統(tǒng)龐大，指令功能復雜，指令格式、尋址方式多；絕大多數(shù)指令需多個機器周期完成；各種指令都可訪問存儲器；采用微程序控制；有專用寄存器，少

16、量；難以用優(yōu)化編譯技術(shù)生成高效的目標代碼程序；課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君指令系統(tǒng)龐大，指令功能復雜，指令格式、尋址方式多；執(zhí)行速度慢；難以優(yōu)化編譯，編譯程序復雜；80%的指令在20%的運行時間使用；無法并行；無法兼容； 課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君cisc指令系統(tǒng)存在的問題： 20與80規(guī)律 cisc中，大約20的指令占據(jù)了80的處理機時間。其余80指令：使用頻度只占20的處理機運行時間 vlsi技術(shù)的發(fā)展引起的問題 vlsi工藝要求規(guī)整性，risc正好適應了vlsi工藝的要求 主存與控存的速度相當，簡單指令沒有必要用微程序?qū)崿F(xiàn)，復雜指令用微程序?qū)?/p>

17、現(xiàn)與用簡單指令組成的子程序?qū)崿F(xiàn)沒有多大區(qū)別；由于vlsi的集成度迅速提高，使得生產(chǎn)單芯片處理機成為可能。課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君 軟硬件的功能分配問題 復雜的指令使指令的執(zhí)行周期大大加長一般cisc處理機的指令平均執(zhí)行周期都在4以上，有些在10以上 cisc增強了指令系統(tǒng)功能，簡化了軟件，但硬件復雜了，設計周期加長。課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君程序執(zhí)行時間的計算公式： p = i cpi t 其中： p是執(zhí)行這個程序所使用的總的時間； i是這個程序所需執(zhí)行的總的指令條數(shù)； cpi 是每條指令執(zhí)行的平均周期數(shù) t是一個周期的時間長度。risc的速度

18、要比cisc快3倍左右，關鍵是risc的cpi減小了課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君硬件方面：采用硬布線控制邏輯，減少指令和尋址方式的種類，使用固定的指令格式，采用load/store結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行過程中設置多級流水線等。軟件方面：十分強調(diào)優(yōu)化編譯技術(shù)的作用risc設計思想也可以用于cisc中類型cisc指令條數(shù)i指令平均周期數(shù)cpi周期時間t121533ns5nsrisc1.31.41.11.410ns2ns課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君例如：intel公司的80 x86處理機的cpi在不斷縮小8088的cpi大于2080286的cpi大約是5.5803

19、86的cpi進一步減小到4左右80486的cpi已經(jīng)接近2pentium處理機的cpi已經(jīng)與risc十分接近 目前，超標量、超流水線處理機的cpi已經(jīng)達到0.5，實際上用ipc (instruction per cycle)更確切。課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君90年代初，ieee的michael slater對risc定義的描述： risc為使流水線高效率執(zhí)行，應具有： 簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼 大部分指令可以單周期執(zhí)行完成 僅load和store指令可以訪問存儲器 簡單的尋址方式 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 采用load延遲技術(shù) risc為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應具有：

20、三地址指令格式、較多的寄存器、對稱的指令格式課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君使用頻度很高的指令（精簡指令條數(shù)）大大減少尋址方式（指令字等長）所有指令在一個機器周期完成擴大通用寄存器個數(shù)采用硬聯(lián)控制實現(xiàn)，提高速度通過精簡指令和優(yōu)化設計編譯程序，以簡單有效的方式支持高級語言 課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君功 能ciscrisc指令系統(tǒng)復雜、龐大簡單、精確指令條數(shù)200444指令字長不固定32bit可訪存指令不加限制只有l(wèi)oad/store各種指令使用頻率相差太大相差不大各種指令執(zhí)行時間相差太大絕大多數(shù)一周期完成優(yōu)化編譯系統(tǒng)很難較容易程序源代碼長度短長控制邏輯實

21、現(xiàn)方式絕大多數(shù)微程序控制絕大多數(shù)為硬連線控制課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君dec公司 dec alpha 21064,21066, 21164 ,21264mips公司（sgi公司） r3000,r4000,r8000,r10000,r12000, rt5ibm, motorola ,apple powerpc 601,602,603,603e,604,615,620,630,640 power3、power4、power5hp公司 pa-risc8000sun公司 sun sparc microsparc, supersparc,ultrasparc課程編號：130410

22、00山東大學軟件學院 戴鴻君采用risc后的好處 簡化指令系統(tǒng)設計 提高機器的執(zhí)行速度和效率 降低設計成本，提高系統(tǒng)可靠性 提供直接支持高級語言的能力，簡化編譯程序的設計 risc的不足 指令少，加重匯編程序員的負擔 浮點運算和虛擬存儲器支持不足 編譯程序難寫 課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君羅伯特巴登 b5000兩個操作數(shù)放在堆棧中 執(zhí)行結(jié)果自動送入堆棧 指令中不需要地址部分。 指令中需要相對指針的地址即可特點 存儲空間節(jié)省(省掉了指令的地址部分) 程序緊湊(去掉了所有中間結(jié)果的存取指令)2021-12-51課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君(a+b)*(c

23、+d)轉(zhuǎn)換為ab+cd+*d+ 入棧和出棧就可以搞定任何普通表達式的運算。運算方式如下： 當前字符為變量或者為數(shù)字，則壓棧，如果是運算符，則將棧頂兩個元素彈出作相應運算，結(jié)果再入棧，最后當表達式掃描完后，棧里的就是結(jié)果。2021-12-52課程編號：13041000山東大學軟件學院 戴鴻君轉(zhuǎn)換過程包括用下面的算法讀入中綴表達式的操作數(shù)、操作符和括號： 1. 初始化一個空堆棧，將結(jié)果字符串變量置空。 2. 從左到右讀入中綴表達式，每次一個字符。 3. 如果字符是操作數(shù)，將它添加到結(jié)果字符串。 4. 如果字符是個操作符，彈出（pop）操作符，直至遇見開括號（opening parenthesis）、優(yōu)先級較低的操作符或者同一優(yōu)先級的右結(jié)合符號。把這個操作符壓入（push）堆棧。 5. 如果字符是個開括號，把它壓入堆棧。 6. 如果字符是個閉括號（closing parenthesis），在遇見開括號前，彈出所有操作符