計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課件：第2章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)

1、第2章 計(jì)算機(jī)指令集結(jié)構(gòu)2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類2.2尋址方式2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)2.4操作數(shù)的類型和大小2.5指令格式的設(shè)計(jì)2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素 CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的類型CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元的主要類型堆棧累加器通用寄存器組將指令集結(jié)構(gòu)分為三種類型2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類堆棧結(jié)構(gòu)累加器結(jié)構(gòu)通用寄存器結(jié)構(gòu)根據(jù)操作數(shù)的來(lái)源不同，又可進(jìn)一步分為:寄存器-存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)（RM結(jié)構(gòu)） (操作數(shù)可以來(lái)自存儲(chǔ)器 )寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)（RR結(jié)構(gòu)） (所有操作數(shù)都是來(lái)自通用寄存器組) 也稱為load-store結(jié)構(gòu)，這個(gè)名稱強(qiáng)調(diào)：

2、只有l(wèi)oad指令和store指令能夠訪問(wèn)存儲(chǔ)器。 2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類對(duì)于不同類型的指令集結(jié)構(gòu)，操作數(shù)的位置、個(gè)數(shù)以及操作數(shù)的給出方式（顯式或隱式）也會(huì)不同。顯式給出：用指令字中的操作數(shù)字段給出隱式給出：使用事先約定好的存儲(chǔ)單元 4種指令集結(jié)構(gòu)的操作數(shù)的位置以及結(jié)果的去向灰色塊：操作數(shù)黑色塊：結(jié)果TOS（Top Of Stack）：棧頂 2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類 例: 表達(dá)式C=A+B在4種類型指令集結(jié)構(gòu)上的代碼。 假設(shè)：A、B、C均保存在存儲(chǔ)器單元中，并且不能 破壞A和B的值。堆 棧 累加器寄存器（RM型） 寄存器（RR型） push Aload Aload R1，Aload R1，Ap

3、ush Badd Badd R1，Bload R2，Baddstore Cstore R1，Cadd R3，R1，R2pop Cstore R3，C2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類通用寄存器結(jié)構(gòu)現(xiàn)代指令集結(jié)構(gòu)的主流在靈活性和提高性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)跟其他的CPU內(nèi)部存儲(chǔ)單元一樣，寄存器的訪問(wèn) 速度比存儲(chǔ)器快。對(duì)編譯器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。寄存器可以用來(lái)存放變量。 （1）減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)，加快程序的執(zhí)行速度； （因?yàn)榧拇嫫鞅却鎯?chǔ)器快） 2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類（2）用更少的地址位（相對(duì)于存儲(chǔ)器地址來(lái)說(shuō)）來(lái)對(duì)寄 存器進(jìn)行尋址，從而有效地減少程序的目標(biāo)代碼的 大小。根據(jù)ALU指令的操

4、作數(shù)的兩個(gè)特征對(duì)通用寄存器型指 令集結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分ALU指令的操作數(shù)個(gè)數(shù)3個(gè)操作數(shù)的指令 兩個(gè)源操作數(shù)、一個(gè)目的操作數(shù)2個(gè)操作數(shù)的指令其中一個(gè)操作數(shù)既作為源操作數(shù)，又作為目的操作數(shù)。2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù)可以是0中的某一個(gè)，為0表示沒(méi)有存儲(chǔ)器操作數(shù)。ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù) ALU指令中操作數(shù)的最多個(gè)數(shù) 結(jié)構(gòu)類型 機(jī)器實(shí)例 03RR MIPS，SPARC，Alpha，PowerPC，ARM12RM IBM 360/370，Intel 80 x86，Motorola 680003RM IBM 360/370 22MM VAX 33MM VAX ALU指令中操

5、作數(shù)個(gè)數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)個(gè)數(shù)的典型組合2.1 指令集結(jié)構(gòu)的分類通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)一步細(xì)分為3種類型寄存器-寄存器型（RR型）寄存器-存儲(chǔ)器型（RM型）存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型（MM型） 3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn) 表中(m，n)表示指令的n個(gè)操作數(shù)中有m個(gè)存 儲(chǔ)器操作數(shù)。指令集結(jié)構(gòu)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 寄存器寄存器型 （0，3） 指令字長(zhǎng)固定，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，是一種簡(jiǎn)單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)相近 與指令中含存儲(chǔ)器操作數(shù)的指令集結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼不夠緊湊，因而程序占用的空間比較大 寄存器存儲(chǔ)器型 （1，2） 可以在ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用

6、load指令進(jìn)行加載。容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，目標(biāo)代碼比較緊湊 指令中的兩個(gè)操作數(shù)不對(duì)稱。在一條指令中同時(shí)對(duì)寄存器操作數(shù)和存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行編碼，有可能限制指令所能夠表示的寄存器個(gè)數(shù)。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來(lái)源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器型 （2，2） 或（3，3） 目標(biāo)代碼最緊湊，不需要設(shè)置寄存器來(lái)保存變量 指令字長(zhǎng)變化很大，特別是3操作數(shù)指令。而且每條指令完成的工作也差別很大。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。這種類型的指令集結(jié)構(gòu)現(xiàn)在已不用了一種指令集結(jié)構(gòu)如何確定所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址？當(dāng)前的指令集結(jié)構(gòu)中所采用的一些操作數(shù)尋址方式：賦值操作Mem：存儲(chǔ)器Regs：寄

7、存器組方括號(hào)：表示內(nèi)容Mem ：存儲(chǔ)器的內(nèi)容Regs ：寄存器的內(nèi)容MemRegsR1：以寄存器R1中的內(nèi)容作為地址的 存儲(chǔ)器單元中的內(nèi)容2.2 尋址方式尋址方式指令實(shí)例含 義寄存器尋址Add R4 , R3RegsR4RegsR4RegsR3立即值尋址Add R4 , #3RegsR4RegsR43偏移尋址Add R4 , 100(R1)RegsR4RegsR4Mem100+RegsR1寄存器間接尋址Add R4 , (R1)RegsR4RegsR4MemRegsR1索引尋址Add R3 , (R1 + R2)RegsR3RegsR3MemRegsR1+RegsR2直接尋址或絕對(duì)尋址Add

8、R1 , (1001)RegsR1RegsR1Mem1001存儲(chǔ)器間接尋址Add R1 , (R3)RegsR1RegsR1MemMemRegsR3自增尋址Add R1 , (R2)+RegsR1RegsR1MemRegsR2RegsR2RegsR2d自減尋址Add R1, -(R2)RegsR2RegsR2dRegsR1RegsR1+MemRegsR2縮放尋址AddR1 , 100(R2)R3RegsR1RegsR1Mem100RegsR2RegsR3*d2.2 尋址方式 采用多種尋址方式可以顯著地減少程序的指令條 數(shù)，但可能增加計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及指令的CPI。2.2 尋址方式立即數(shù)尋址

9、方式和偏移尋址方式的使用頻度最高。 各種尋址方式的使用情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果在VAX機(jī)器上運(yùn)行g(shù)cc、Spice和Tex 基準(zhǔn)程序2.2 尋址方式 偏移量的取值范圍在load-store結(jié)構(gòu)的機(jī)器（Alpha）上運(yùn)行SPEC CPU2000基準(zhǔn)程序2.2 尋址方式從該圖可以看出：程序所使用的偏移量大小分布十分廣泛 主要是因?yàn)樵诖鎯?chǔ)器中所保存的數(shù)據(jù)并不是十分集中，需要使用不同的偏移量才能對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。 較小的偏移量和較大的偏移量均占有相當(dāng)大 的比例 2.2 尋址方式立即數(shù)尋址方式立即數(shù)尋址方式的使用頻度 指令類型 使用頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 load指令 23% 22% ALU指令 25% 19% 所有

10、指令 21% 16% 大約1/4的load指令和ALU指令采用了立即數(shù)尋址。 2.2 尋址方式立即數(shù)的取值范圍 2.2 尋址方式最常用的是較小的立即數(shù)；有時(shí)也會(huì)用到較大的立即數(shù)（主要是用于地址計(jì)算）。在指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，至少要將立即數(shù)的大小設(shè)置 為816位。在VAX機(jī)（支持32位立即數(shù)）上做過(guò)類似的統(tǒng)計(jì)，結(jié)果 表明20%25%的立即數(shù)超過(guò)16位。 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)確定軟、硬件功能分配，即確定哪些基本功能應(yīng)該由硬件實(shí)現(xiàn)，哪些功能由軟件實(shí)現(xiàn)比較合適。在確定哪些基本功能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要考慮3個(gè)因素：速度、成本、靈活性硬件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) 速度快、成本高、靈活性差軟件實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn) 速度慢、價(jià)格便宜、靈

11、活性好2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)對(duì)指令集的基本要求 完整性、規(guī)整性、高效率、兼容性 完整性：在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問(wèn)題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令集所提供的指令足夠用。要求指令集功能齊全、使用方便下表為許多指令集結(jié)構(gòu)都包含的一些指令類型 前4類屬于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本指令對(duì)于最后4種類型的操作，不同指令集結(jié)構(gòu)的支 持大不相同 。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)操作類型 實(shí) 例 算術(shù)和邏輯運(yùn)算 算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作：加，減，乘，除，與，或等 數(shù)據(jù)傳輸 load，store控制 分支，跳轉(zhuǎn)，過(guò)程調(diào)用和返回，自陷等 系統(tǒng) 操作系統(tǒng)調(diào)用，虛擬存儲(chǔ)器管理等 浮點(diǎn)

12、浮點(diǎn)操作：加，減，乘，除，比較等 十進(jìn)制 十進(jìn)制加，十進(jìn)制乘，十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換等 字符串 字符串移動(dòng)，字符串比較，字符串搜索等 圖形 像素操作，壓縮/解壓操作等 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)規(guī)整性：主要包括對(duì)稱性和均勻性。對(duì)稱性：所有與指令集有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、 操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱的。例如：在存儲(chǔ)單元的使用上，所有通用寄存器都要同等對(duì) 待。在操作碼的設(shè)置上，如果設(shè)置了A-B的指 令，就應(yīng)該也設(shè)置B-A的指令。 均勻性：指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類型、字長(zhǎng)、操作 種類和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，指令的設(shè)置都要同等對(duì)待。例如：如果某機(jī)器有5種數(shù)據(jù)表示，4種字長(zhǎng)，兩種存儲(chǔ)單 元，則要設(shè)置542=40種同一操

13、作的指令。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)高效率：指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。在設(shè)計(jì)指令集結(jié)構(gòu)時(shí)，有兩種截然不同的設(shè)計(jì)策略。 （產(chǎn)生了兩類不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ）CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）增強(qiáng)指令功能，把越來(lái)越多的功能交由硬件來(lái)實(shí) 現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來(lái)越多。RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）盡可能地把指令集簡(jiǎn)化，不僅指令的條數(shù)少，而且 指令的功能也比較簡(jiǎn)單。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)CISC結(jié)構(gòu)追求的目標(biāo) 強(qiáng)化指令功能，減少程序的指令條數(shù)，以達(dá)到提高性能的目的。增強(qiáng)指令功能主要是從以下幾個(gè)方面著手：面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能 增強(qiáng)運(yùn)算型指令的功能增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳送指令的功能增強(qiáng)程序控制指令的功能

14、豐富的程序控制指令為編程提供了多種選擇。 2.3.1 CISC指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)例如：循環(huán)在程序中占有相當(dāng)大的 比例，所以在指令上提供專 門的支持。循環(huán)控制部分通常用3條指令完成：一條加法指令一條比較指令一條分支指令設(shè)置循環(huán)控制指令，用一條指令完成上述3條指令的功能。 一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu)2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令集 （縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距） 高級(jí)語(yǔ)言與一般的機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距非常大，為高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯帶來(lái)了一些問(wèn)題。（1）編譯器本身比較復(fù)雜。（2）編譯生成的目標(biāo)代碼比較難以達(dá)到很好的優(yōu)化。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)

15、計(jì)2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言和編譯器的支持 對(duì)源程序中各種高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句的使用頻度進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)使用頻度高、執(zhí)行時(shí)間長(zhǎng)的語(yǔ)句，增強(qiáng)有關(guān)指令的功能，加快這些指令的執(zhí)行速度，或者增加專門的指令，可以達(dá)到減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間和減少目標(biāo)程序長(zhǎng)度的目的。 增強(qiáng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)整性，減少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的各種例外情況。 （面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī) ）2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī) 間接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器 高級(jí)語(yǔ)言成為機(jī)器的匯編語(yǔ)言，這時(shí)高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言是一一對(duì)應(yīng)的。用匯編的方法把高級(jí)語(yǔ)言源程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序。 直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言的機(jī)器 直接把高級(jí)語(yǔ)言作為機(jī)器語(yǔ)言，直接由固件/硬件對(duì)高

16、級(jí)語(yǔ)言源程序的語(yǔ)句逐條進(jìn)行解釋執(zhí)行。這時(shí)既不用編譯，也不用匯編。2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令集 操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系的，操作系 統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持。指令集對(duì)操作系統(tǒng)的支持主要有：處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問(wèn)方式的切換。進(jìn)程的管理和切換。存儲(chǔ)管理和信息保護(hù)。進(jìn)程的同步與互斥，信號(hào)燈的管理等。 支持操作系統(tǒng)的有些指令屬于特權(quán)指令，一般用戶程序是不能使用的。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)CISC指令集結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題 （1979年開(kāi)始，Patterson等人的研究）各種指令的使用頻度相差懸殊據(jù)統(tǒng)計(jì)：只有20的指令使用頻度比較高，占運(yùn)行時(shí)間的80

17、，而其余80的指令只在20的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才會(huì)用到。使用頻度高的指令也是最簡(jiǎn)單的指令。2.3.2 RISC指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)執(zhí)行頻度排序 80 x86指令 指令執(zhí)行頻度（占執(zhí)行指令總數(shù)的百分比） 1load 22% 2條件分支 20% 3比較 16% 4store 12% 5加 8% 6與 6% 7減 5% 8寄存器-寄存器間數(shù)據(jù)移動(dòng) 4% 9調(diào)用子程序 1% 10返回 1% 合 計(jì) 95% Intel 80 x86最常用的10條指令2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)指令集龐大，指令條數(shù)很多，許多指令的功能又 很復(fù)雜，使得控制器硬件非常復(fù)雜。 導(dǎo)致的問(wèn)題：占用了大量的芯片面積（如占用CPU芯片總面積的

18、一半以上），給VLSI設(shè)計(jì)造成很大的困難；增加了研制時(shí)間和成本，容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。許多指令由于操作繁雜，其CPI值比較大，執(zhí)行 速度慢。采用這些復(fù)雜指令有可能使整個(gè)程序的 執(zhí)行時(shí)間反而增加。由于指令功能復(fù)雜，規(guī)整性不好，不利于采用流 水技術(shù)來(lái)提高性能。 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)RISC機(jī)器遵循的原則 指令條數(shù)少而簡(jiǎn)單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令。采用簡(jiǎn)單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長(zhǎng)都為32位或64位。指令的執(zhí)行在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成。 (采用流水線機(jī)制)只有l(wèi)oad和store指令才能訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其他指令的操作都是在寄存器之間進(jìn)行。 （即采用

19、load-store結(jié)構(gòu)）大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級(jí)語(yǔ)言程序生成優(yōu)化的代碼。充分利用流水技術(shù)來(lái)提高性能。早期的RISC微處理器1981年 ，Berkeley分校的Patterson 等人的32位微處理器RISC I ：31條指令，指令字長(zhǎng)都是32位，78個(gè)通用寄存器，時(shí)鐘頻率為8 MHz；控制部分所占的芯片面積只有約6%。商品化微處理器MC68000和Z8000分別為50%和53%；性能比MC68000和Z8000快34倍。2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)1983年的RISC：指令條數(shù)為39，通用寄存器個(gè)數(shù)為138，時(shí)鐘頻率為12 MH

20、z。后來(lái)發(fā)展成了Sun公司的SPARC系列微處理器。1981年，Stanford大學(xué)Hennessy等人的MIPS后來(lái)發(fā)展成了MIPS Rxxx系列微處理器。IBM的801共同特點(diǎn)：采用load-store結(jié)構(gòu)指令字長(zhǎng)為32位采用高效的流水技術(shù)2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)控制指令是用來(lái)改變控制流的。 跳轉(zhuǎn)：當(dāng)指令是無(wú)條件改變控制流時(shí)，稱之為跳轉(zhuǎn)指令。分支：當(dāng)控制指令是有條件改變控制流時(shí)，則稱之為分支指令。 能夠改變控制流的指令分支跳轉(zhuǎn)過(guò)程調(diào)用過(guò)程返回2.3.3 控制指令2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)控制指令的使用頻度 （load-store型指令集結(jié)構(gòu)的機(jī)器，基準(zhǔn)程序?yàn)镾PEC CPU2000）

21、指令類型 使用頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 調(diào)用/返回 19% 8% 跳轉(zhuǎn) 6% 10% 分支 75% 82% 改變控制流的大部分指令是分支指令（條件轉(zhuǎn)移）。 常用的3種表示分支條件的方法及其優(yōu)缺點(diǎn) 名 稱 檢測(cè)分支條件的方法 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 條件碼（CC） 檢測(cè)由ALU操作設(shè)置的一些特殊的位（即CC） 可以自由設(shè)置分支條件 條件碼是增設(shè)的狀態(tài)。而且它限制了指令的執(zhí)行順序，因?yàn)橐ＷC條件碼能順利地傳送給分支指令 條件寄存器 比較指令把比較結(jié)果放入任何一個(gè)寄存器，檢測(cè)時(shí)就檢測(cè)該寄存器 簡(jiǎn)單 占用了一個(gè)寄存器 比較與分支 比較操作是分支指令的一部分，通常這種比較是受到一定限制的 用一條指令（而不是兩條

22、）就能實(shí)現(xiàn)分支 當(dāng)采用流水方式時(shí)，該指令的操作可能太多，在一拍內(nèi)做不完 2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址的表示最常用的方法 在指令中提供一個(gè)偏移量，由該偏移量和程序計(jì)數(shù)器（PC）的值相加而得出目標(biāo)地址。 （PC相對(duì)尋址）優(yōu)點(diǎn)有效地減少表示該目標(biāo)地址所需要的位數(shù)。位置無(wú)關(guān)（代碼可被裝載到主存的任意位置執(zhí)行）。關(guān)鍵：確定偏移量字段的長(zhǎng)度模擬結(jié)果表明：采用48位的偏移量字段（以指令字為單位）就能表示大多數(shù)控制指令的轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址了。2.3 指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)過(guò)程調(diào)用和返回除了要改變控制流之外，可能還要保存機(jī)器狀態(tài)，至少也得保存返回地址（放在專用的鏈接寄存器或堆棧中）。過(guò)去有些指令集結(jié)構(gòu)提供了

23、專門的保存機(jī)制來(lái)保存許多寄存器的內(nèi)容。現(xiàn)在較新的指令集結(jié)構(gòu)則要求由編譯器生成load和store指令來(lái)保存或恢復(fù)寄存器的內(nèi)容。 數(shù)據(jù)表示：計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別、指令集可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。所有數(shù)據(jù)類型中最常用、相對(duì)比較簡(jiǎn)單、用硬件實(shí)現(xiàn)比較容易的幾種。 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：由軟件進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)類型。研究：這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān) 系，并給出相應(yīng)的算法。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者要解決的問(wèn)題：如何確定數(shù)據(jù)表示？（軟硬件取舍折中的問(wèn)題）2.4 操作數(shù)的類型和大小2.4 操作數(shù)的類型和大小表示操作數(shù)類型的方法有兩種由指令中的操作碼指定操作數(shù)的類型。帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示。給數(shù)據(jù)加上標(biāo)識(shí)，由數(shù)據(jù)本

24、身給出操作數(shù)類型。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化指令集，可由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一致性檢查和類型轉(zhuǎn)換，縮小了機(jī)器語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差距，簡(jiǎn)化編譯器等。缺點(diǎn)：由于需要在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)檢測(cè)標(biāo)志符，動(dòng)態(tài)開(kāi)銷比較大，所以采用這種方案的機(jī)器很少見(jiàn)。操作數(shù)的大?。翰僮鲾?shù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。主要的大?。鹤止?jié)（8位）、半字（16位） 字（32位）、雙字（64位）2.4 操作數(shù)的類型和大小字符：用ASCII碼表示，為一個(gè)字節(jié)大小。整數(shù)：用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，其大小可以是字節(jié)、半字或單字。浮點(diǎn)操作數(shù)：?jiǎn)尉雀↑c(diǎn)數(shù)（1個(gè)字）、雙精度浮點(diǎn)數(shù)（雙字）。 一般都采用IEEE 754浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)十進(jìn)制操作數(shù)類型壓縮十進(jìn)制或二進(jìn)制編碼十進(jìn)制（BCD碼）：用4位二

25、進(jìn)制編碼表示數(shù)字09，并將兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)字合并到一個(gè)字節(jié)中存儲(chǔ)。非壓縮十進(jìn)制：將十進(jìn)制數(shù)直接用字符串來(lái)表示。訪問(wèn)不同操作數(shù)大小的頻度（SPEC基準(zhǔn)程序 ）操作數(shù)大小 訪問(wèn)頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 字節(jié) 7% 0% 半字 19% 0% 單字 74% 31% 雙字 0% 69% 基準(zhǔn)程序?qū)巫趾碗p字的數(shù)據(jù)訪問(wèn)具有較高的頻度。 一臺(tái)32位的機(jī)器應(yīng)該支持8、16、32位整型操作數(shù)以及32位和64位的IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)操作數(shù)。指令由兩部分組成：操作碼、地址碼指令格式的設(shè)計(jì) 確定指令字的編碼方式，包括操作碼字段和地址碼字段的編碼和表示方式。操作碼的編碼比較簡(jiǎn)單和直觀Huffman編碼法 減少操作碼的

26、平均位數(shù)，但所獲得的編碼是變長(zhǎng)的，不規(guī)整，不利于硬件處理。 固定長(zhǎng)度的操作碼 保證操作碼的譯碼速度。 2.5 指令格式的設(shè)計(jì)2.5 指令格式的設(shè)計(jì)兩種表示尋址方式的方法將尋址方式編碼于操作碼中，由操作碼描述相應(yīng)操作的尋址方式。適合：處理機(jī)采用load-store結(jié)構(gòu)，尋址方式只有很少幾種。設(shè)置專門的地址描述符，由地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。 適合：處理機(jī)具有多種尋址方式，且指令有多個(gè)操作數(shù)。2.5 指令格式的設(shè)計(jì)考慮因素機(jī)器中寄存器的個(gè)數(shù)和尋址方式的數(shù)目對(duì)指令平均字長(zhǎng)的影響以及它們對(duì)目標(biāo)代碼大小的影響。所設(shè)計(jì)的指令格式便于硬件處理，特別是流水實(shí)現(xiàn)。指令字長(zhǎng)應(yīng)該是字節(jié)（8位）的整數(shù)倍，而

27、不能是隨意的位數(shù)。指令集的3種編碼格式 變長(zhǎng)編碼格式、定長(zhǎng)編碼格式、混合型編碼格式2.5 指令格式的設(shè)計(jì)變長(zhǎng)編碼格式當(dāng)指令集的尋址方式和操作種類很多時(shí)，這種編碼格式是最好的。用最少的二進(jìn)制位來(lái)表示目標(biāo)代碼?？赡軙?huì)使各條指令的字長(zhǎng)和執(zhí)行時(shí)間相差很大。2.5 指令格式的設(shè)計(jì)定長(zhǎng)編碼格式將操作類型和尋址方式一起編碼到操作碼中。當(dāng)尋址方式和操作類型非常少時(shí)，這種編碼格式非常好?？梢杂行У亟档妥g碼的復(fù)雜度，提高譯碼的速度。大部分RISC的指令集均采用這種編碼格式。2.5 指令格式的設(shè)計(jì)混合型編碼格式提供若干種固定的指令字長(zhǎng)。以期達(dá)到既能夠減少目標(biāo)代碼長(zhǎng)度又能降低譯碼復(fù)雜度的目標(biāo)。32個(gè)64位通用寄存器（

28、GPRs）R0，R1，R31也被稱為整數(shù)寄存器R0的值永遠(yuǎn)是032個(gè)64位浮點(diǎn)數(shù)寄存器（FPRs）F0，F(xiàn)1，F(xiàn)312.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)介紹MIPS64的一個(gè)子集，簡(jiǎn)稱為MIPS。2.6.1 MIPS的寄存器2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)用來(lái)存放32個(gè)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位），也可以用來(lái)存放32個(gè)雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）。存儲(chǔ)單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）時(shí)，只用到FPR的一半，其另一半沒(méi)用。一些特殊寄存器它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。例如，浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器用來(lái)保存有關(guān)浮點(diǎn)操作結(jié)果的信息。2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)MIPS的數(shù)據(jù)表示整數(shù)字節(jié)（8位） 半字（16位）字（32位） 雙字（64位）浮點(diǎn)數(shù)單精度浮

29、點(diǎn)數(shù)（32位） 雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位）字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時(shí)，用零擴(kuò)展或者用符號(hào)位擴(kuò)展來(lái)填充該寄存器的剩余部分。裝入以后，對(duì)它們將按照64位整數(shù)的方式進(jìn)行運(yùn)算。2.6.2 MIPS的數(shù)據(jù)表示2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)立即數(shù)尋址與偏移量尋址立即數(shù)字段和偏移量字段都是16位的。寄存器間接尋址是通過(guò)把0作為偏移量來(lái)實(shí)現(xiàn)的16位絕對(duì)尋址是通過(guò)把R0（其值永遠(yuǎn)為0）作為基址 寄存器來(lái)完成的MIPS的存儲(chǔ)器是按字節(jié)尋址的，地址為64位所有存儲(chǔ)器訪問(wèn)都必須是邊界對(duì)齊的2.6.3 MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)尋址方式編碼到操作碼中所有的指令都是32位的操作碼占6位3種指令格式

30、2.6.4 MIPS的指令格式2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)I類指令包括所有的load和store指令、立即數(shù)指令、，分支指令、寄存器跳轉(zhuǎn)指令、寄存器鏈接跳轉(zhuǎn)指令。立即數(shù)字段為16位，用于提供立即數(shù)或偏移量。2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)load指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 從存儲(chǔ)器取來(lái)的數(shù)據(jù)放入寄存器rtstore指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 要存入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)放在寄存器rt中立即數(shù)指令 Regsrt Regsrs op immediate分支指令 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址：Regsrsimmediate，rt無(wú)用寄存器跳轉(zhuǎn)、寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址為Regsr

31、s2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)R類指令包括ALU指令、專用寄存器讀/寫指令、move指令等。ALU指令 Regsrd Regsrs funct Regsrt func為具體的運(yùn)算操作編碼2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)J類指令包括跳轉(zhuǎn)指令、跳轉(zhuǎn)并鏈接指令、自陷指令、異常返回指令。在這類指令中，指令字的低26位是偏移量，它與PC值相加形成跳轉(zhuǎn)的地址。2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)MIPS指令可以分為四大類load和storeALU操作分支與跳轉(zhuǎn)浮點(diǎn)操作符號(hào)的意義 xny：從y傳送n位到xx，yz：把z傳送到x和y 2.6.5 MIPS的操作2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)下標(biāo)：表示字段中具體的位；對(duì)于指令和數(shù)據(jù)，

32、按從最高位到最低位（即從左到右）的順序依次進(jìn)行編號(hào)，最高位為第0位，次高位為第1位，依此類推。下標(biāo)可以是一個(gè)數(shù)字，也可以是一個(gè)范圍。例如：RegsR40：寄存器R4的符號(hào)位 RegsR456.63：R4的最低字節(jié)Mem：表示主存；按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個(gè)字節(jié)。上標(biāo)：用于表示對(duì)字段進(jìn)行復(fù)制的次數(shù)。例如：0 32：一個(gè)32位長(zhǎng)的全0字段2.6 MIPS指令集結(jié)構(gòu)符號(hào)#：用于兩個(gè)字段的拼接，并且可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳送的任何一邊。舉例：R8、R10：64位的寄存器，則RegsR832.63 32 （Mem RegsR60）24 # Mem RegsR6表示的意義是： 以R6的內(nèi)容作為地址訪問(wèn)內(nèi)存，得到的

33、字節(jié)按符號(hào)位擴(kuò)展為32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即RegsR80.31）不變。 load和store指令指令舉例 指令名稱 含 義 LD R2，20(R3) 裝入雙字 RegsR264 Mem20+RegsR3 LW R2，40(R3) 裝入字 RegsR264 (Mem40+RegsR30)32 # Mem40+RegsR3 LB R2，30(R3) 裝入字節(jié) RegsR264 (Mem30+RegsR30)56 # Mem30+RegsR3 LBU R2，40(R3) 裝入無(wú)符號(hào)字節(jié) RegsR264 056 # Mem40+RegsR3 LH R2，30(R3) 裝入半字

34、RegsR264 (Mem30+RegsR30)48 #Mem30+RegsR3# Mem31+RegsR3 L.S F2，60(R4) 裝入半字 RegsF264 Mem60+RegsR4 # 032 L.D F2，40(R3) 裝入雙精度浮點(diǎn)數(shù) RegsF264 Mem40+RegsR3 SD R4，300(R5) 保存雙字 Mem300+RegsR564 RegsR4 SW R4，300(R5) 保存字 Mem300+RegsR532 RegsR4 S.S F2，40(R2) 保存單精度浮點(diǎn)數(shù)Mem40+RegsR232 RegsF2 031 SH R5，502(R4)保存半字Mem502+RegsR416 RegsR5 48.63 ALU指令寄存器-寄存器型（RR型）指令或立即數(shù)型算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等指令舉例 指令名稱 含義 DADDUR1，R2，R3 無(wú)符號(hào)加 RegsR1 RegsR2+ RegsR3 DADDIU R4，R5，#6 加無(wú)符號(hào)立即數(shù) RegsR4 RegsR5+6 LUIR1，#4 把立即數(shù)裝入到一個(gè)字的高16位 RegsR1 032 # 4 # 016DSLLR1，R2，#5 邏輯左移 RegsR