3.2 指令系統(tǒng)課件

3.2指令系統(tǒng)

本節(jié)主要分析：?基于MIPS32架構(gòu)√指令格式√指令涉及的尋址方式√向用戶的指令類型指令系統(tǒng)→設(shè)計CPU的一般過程：控制器→數(shù)據(jù)通路→CPU定型1/41⊙指令/數(shù)據(jù)字：指令/數(shù)據(jù)的一組二進(jìn)制代碼。⊙指令/數(shù)據(jù)字長：指令/數(shù)據(jù)二進(jìn)制代碼位數(shù)⊙機(jī)器字長：計算機(jī)能夠直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)⊙指令：instruction，計算機(jī)執(zhí)行某類操作的信息的集合，是CPU工作的主要依據(jù)。⊙指令集：instructionset，處理器能執(zhí)行的全體指令的集合√決定了計算機(jī)的硬件功能√計算機(jī)中軟硬件的分界面2/41=寄存器的寬度。（CISC、RISC）3.2.1指令集類型1、CISC2、RISC(ComplexInstructionSetComputing)精簡指令集計算復(fù)雜指令集計算早期計算機(jī)部件昂貴、速度慢，為了擴(kuò)展硬件功能，不得不將更多更復(fù)雜指令加入到指令系統(tǒng)，以提高計算機(jī)的處理能力→復(fù)雜指令集(ReducedInstructionSetComputing)隨著半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)步，80年代開始逐漸直接通過硬件方式，而不是擴(kuò)充指令來實現(xiàn)復(fù)雜功能，指令規(guī)模逐漸縮小、指令進(jìn)一步簡化→精簡指令集3/41※CISC→RISC的技術(shù)背景①2－8規(guī)律②不利于VLSI工藝③主存技術(shù)的發(fā)展CISC中的不同指令使用頻率懸殊：為實現(xiàn)大量的復(fù)雜指令，控制邏輯極不規(guī)整，給VLSI工藝造成很大困難。一般通過保存在控制存儲器中的微程序來實現(xiàn)復(fù)雜指令，70年代后期開始用DRAM做主存，使主存與控制存儲器的速度相當(dāng)，因此很多復(fù)雜指令不必再用微程序來實現(xiàn)，可用簡單指令構(gòu)成的子程序?qū)崿F(xiàn)等效功能。簡單指令(約占20%的)約占80%的使用頻率，復(fù)雜指令(約占80%)只占大約20%的使用頻率。4/41→CISC的特點：①指令數(shù)量多；②指令長度可以不固定，指令格式和尋址方式多樣；③很多指令會涉及存儲器讀寫操作，指令周期長；④一般在通用處理器中使用；→RISC的特點：①指令數(shù)量少；②指令長度固定，指令格式和尋址方式種類也少；③一般只有少量指令(如取數(shù)/存數(shù))才會讀寫存儲器，其余指令只涉及CPU內(nèi)部寄存器，指令周期短；④一般在高端服務(wù)器中使用；5/413.2.2指令格式指令的基本格式操作碼θ地址碼A

/操作數(shù)D1個1個或幾個（廣義）6/411.指令字長定長指令格式變長指令格式規(guī)整、便于控制(1)定長操作碼各指令θ的位置、位數(shù)固定相同。(2)擴(kuò)展操作碼各指令θ的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化合理利用存儲空間、提高取指令的效率，如超長指令集2.操作碼結(jié)構(gòu)(設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志)。7/41(3)復(fù)合型操作碼15

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13

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10

9

5

~

0

15基本操作進(jìn)位移位回送判跳操作數(shù)[例]某機(jī)的算術(shù)邏輯運算指令格式基本特征：操作碼分為幾段，每段表示一種二級操作。復(fù)合型操作碼8/41使用隱式地址，可以減少指令中的地址數(shù)量，從而簡化地址結(jié)構(gòu)。3.地址結(jié)構(gòu)指令中提供的地址地址偏移量/立即數(shù)寄存器編號（1）指令中提供地址的方式→指令中明確指明地址碼(直接/間接給出)√顯式地址方式√隱式地址方式→地址碼隱含約定，不在指令中出現(xiàn)。9/41（2）常見的地址結(jié)構(gòu)類型操作數(shù)地址四地址結(jié)構(gòu)指令結(jié)果地址下條指令地址功能：一般用PC寄存器指示下條指令的地址。θA1A2A3A4(A1)θ(A2)→A3A4→PC四地址結(jié)構(gòu)指令在RISC中很少會使用。10/41三地址結(jié)構(gòu)指令操作數(shù)地址結(jié)果地址功能：θA1A2A3(A1)θ(A2)→A3(PC)+→PC自動修改PC的內(nèi)容，使PC指向下一條指令如：ADD

rd,rs,rt11/41二地址結(jié)構(gòu)指令目的地址源地址θA1A2功能：(A1)θ(A2)→A1(PC)+→PC自動修改PC的內(nèi)容，使PC指向下一條指令如：ADDR1,R012/41雙操作數(shù)：一地址結(jié)構(gòu)指令隱含約定單操作數(shù)：源/目的地址θA1A1U[PC]H→PCθ(A1)

→A1(PC)+

→PC自動修改PC的內(nèi)容，使PC指向下一條指令如：Jaddr如：INCR013/41零地址結(jié)構(gòu)指令θ

功能：①用于處理機(jī)的特殊控制（如HLT,NOP）。②針對隱含約定的寄存器，如返回指令：RST隱含操作：(SP)→PC;SP+

→SP;把堆棧棧頂單元保存的返回地址打入PC。14/414.指令可能會涉及到的操作數(shù)類型①地址碼數(shù)據(jù)寄存器編號或者存儲器地址，無符號整數(shù)。②數(shù)值型數(shù)據(jù)定點數(shù)、浮點數(shù)等，一般用補(bǔ)碼表示。③字符型數(shù)據(jù)通常表示為ASCII碼/漢字內(nèi)碼格式。④邏輯型數(shù)據(jù)常規(guī)二進(jìn)制代碼，不具有數(shù)值含義。15/41指令字長為：32位寄存器數(shù)量：32個RISC5.MIPS32架構(gòu)的指令格式指令類型指令長度（32位定長）31

~

2625~215

~

020~1625~1110

~

6R型op(6)rs(5)funcrt(5)rd(5)shamtI型op(6)rs(5)rt(5)address/imm(16)J型op(6)address(26)R型I型J型16/413.2.3指令中的尋址方式※指形成操作數(shù)地址或?qū)ふ也僮鲾?shù)的方式；①立即尋址(Immediateaddressing)指令中直接包含了操作數(shù)。1、常見尋址方式定長格式：變長格式：基本操作

立即數(shù)I數(shù)在指令中，其長度固定、位數(shù)少。數(shù)在基本指令之后，其長度可與指令等長用來提供偏移量、常數(shù)、設(shè)置初值等。操作碼θ…立即數(shù)I※1條指令，可能會涉及多種尋址方式；17/41oprsrt立即數(shù)Iaddi$rt,$rs,5指令功能：

$rt←$rs+imm(符號擴(kuò)展)立即數(shù)imm取指令后，直接截取指令中的低16位代碼，就能立即得到真值為5的操作數(shù)。因此，得到“5”的方式，就是立即尋址。18/41操作碼θ

有效地址A②直接尋址指令中直接給出操作數(shù)的地址碼。存儲單元地址寄存器編號(數(shù)在M中)(數(shù)在R中)主存直接尋址（絕對尋址）定長格式A的位數(shù)有限,限制訪存范圍變長格式基本操作

AL

AHA的位數(shù)可等于指令字長，覆蓋整個存儲空間操作數(shù)：S=（D）19/41寄存器直接尋址(RegisterAddressing)針對操作數(shù)在寄存器中的情況oprsrtrdfunc地址碼=rs數(shù)據(jù)字寄存器組(堆)20/41存儲單元地址寄存器編號(數(shù)在M中)(數(shù)在M中)③間接尋址指令給出操作數(shù)的間接地址。主存間接尋址操作碼θ間接地址A

A=0030

→0060→

操作數(shù)：S=((A))存儲器間址單元一般只在CISC中使用，RISC中一般不用；0060…S…→

1次間址21/41操作碼θ寄存器號R寄存器間接尋址R的地址位數(shù)少，R可提供全字長地址碼；修改R內(nèi)容比修改M更快。S=((R))指針不變(由指令指定)，指針內(nèi)容可變，使同一指令可指向不同存儲單元，以實現(xiàn)程序的循環(huán)、共享，并提供轉(zhuǎn)移地址。堆棧間接尋址操作碼θ堆棧指針SPS=((SP))

MR=0200400040→

S......SP寄存器

S堆棧0070棧頂22/41[例]

POP

(SP)$SP$SP執(zhí)行前102046nn+2n+1棧頂棧底執(zhí)行后2046棧頂棧底nn+1n+1LW

$t0,0($SP)

SP既可出現(xiàn)在指令中，也可由操作碼隱含約定堆棧有三種方式（向下，向上，棧頂固定）23/41（4）變址、基址尋址及其變化指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。格式變址尋址操作碼θ

RX

D

變址寄存器號S=((RX)+D)形式地址修改量基準(zhǔn)地址24/41格式基址尋址(baseaddressing)基址寄存器號指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址（二維數(shù)組的讀寫）。操作碼θRbD位移量S=((Rb)+D)基準(zhǔn)地址相對于基址的位移25/41※變址與基址的區(qū)別：變址尋址：指令提供基準(zhǔn)量，寄存器提供偏移量；基址尋址：指令提供偏移量，寄存器提供基準(zhǔn)量；有效地址=寄存器內(nèi)容(R)+指令中的立即數(shù)D26/41S=((RX)+(Rb)+D)基址+變址變址寄存器號指令給出兩個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址（處理三維數(shù)組）。位移量操作碼θRXRbD基址寄存器號便于處理三維數(shù)組。27/41隱含指定（5）PC相對尋址(PC-relativeaddressing)指令給出偏移量，PC當(dāng)前值與偏移量相加得到有效地址。位移量操作碼θPC

DS=((PC)+D)是一種特殊的基址尋址方式有效地址相對于PC浮動,編程方便。28/41格式（6）頁面尋址（偽直接尋址）指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼接，形成有效地址。位移量操作碼θPC

D隱含指定S=((PC)H

,D)[例]M為64KB，劃分為256頁，每頁256B，按字節(jié)編址。頁號頁內(nèi)地址用于頁式存儲系統(tǒng)。尋址速度快，適于組織程序模塊，有效利用存儲空間。PC0165H017CH7C.........S29/412.指令中的尋址方式約定(1)操作碼可隱含說明不同尋址方式[例]某機(jī)指令操作碼的最高兩位00：RR型指令，寄存器-寄存器尋址01：RX型指令，寄存器-變址尋址10：SI型指令，基址-立即尋址11：SS型指令，基址-基址尋址MIPS指令，一般都是采用這種方式。30/41（2）指令中可設(shè)置尋址方式字段[例]某機(jī)指令的每個地址字段中各設(shè)置一個3位的尋址方式說明字段。操作碼θ尋址方式R尋址方式R源地址字段目的地址字段3位3位31/41(1)按指令格式PDP-11：單、雙操作數(shù)指令等；(2)按操作數(shù)尋址方式IBM370：

RR型（寄存器-寄存器）RX型（寄存器-變址寄存器）…(3)按指令功能傳送、訪存、I/O、算數(shù)邏輯運算、程序控制、處理機(jī)控制等指令。3.2.4指令的功能和類型32/41數(shù)據(jù)傳送類指令源地址對應(yīng)的存儲單元數(shù)據(jù)主要用來實現(xiàn):目的地址對應(yīng)的存儲單元主要包括:取數(shù)指令、存數(shù)指令、數(shù)據(jù)傳送(單字、成組)、數(shù)據(jù)交換和堆棧操作等。寄存器之間、存儲器單元之間以及寄存器-存儲器單元的數(shù)據(jù)傳送。33/41設(shè)計傳送指令時需要考慮：（1）規(guī)定傳送范圍（2）指明傳送單位（3）設(shè)置尋址方式MIPS32中只有l(wèi)w和sw這兩個指令可以訪問存儲器34/41輸入/輸出(I/O)指令信息主機(jī)

外部設(shè)備設(shè)計時需考慮：(1)I/O指令對設(shè)備的適應(yīng)性如何用通用I/O指令實現(xiàn)對各種具體設(shè)備的控制？I/O指令中留有擴(kuò)展余地指令中某些字段事先不定義，需要時再約定其含義。把設(shè)備抽象化、透明化處理（接口中設(shè)置控制/狀態(tài)/數(shù)據(jù)寄存器）用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場合。35/41（2）主機(jī)對外設(shè)的尋址方式I/O端口尋找I/O接口中的寄存器的方式。該類寄存器的編號，也稱為I/O端口的地址（簡稱端口地址）如何為I/O端口分配地址？單獨編址統(tǒng)一編址36/41思路2：用傳送指令替代I/O指令（隱式I/O指令）思路1：設(shè)計專用的I/O指令（3）I/O指令的設(shè)計思路（顯式I/O指令）思路3：通過IOP進(jìn)行I/O操作控制CPU控制IOP(如啟動、停止等)需設(shè)計兩級I/O指令I(lǐng)OP控制具體I/O操作(如保存等)針對端口自行單獨編址，用I/O指令訪問I/O端口。指令中說明I/O類型，并給出端