計(jì)算機(jī)組成原理微課版（第5章）教案

指令系統(tǒng)參考學(xué)時(shí)3學(xué)時(shí)。教學(xué)目標(biāo)（能力要求）熟悉MIPS指令系統(tǒng)：能解釋常見(jiàn)的32個(gè)通用寄存器的功能，熟悉常見(jiàn)的MIPS指令，能將高級(jí)語(yǔ)言簡(jiǎn)單運(yùn)算語(yǔ)句、數(shù)組訪問(wèn)語(yǔ)句、條件分支結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)、過(guò)程調(diào)用翻譯成MIPS機(jī)器語(yǔ)言表示。理解指令格式基本概念：能解釋指令格式及指令字各部分的作用及不同格式，對(duì)比分析不同格式指令的功能流程與異同點(diǎn)。掌握尋址方式基本概念：能解釋指令和數(shù)據(jù)的尋址過(guò)程，能對(duì)比分析不同指令與數(shù)據(jù)尋址方式的差異及其對(duì)尋址硬件實(shí)現(xiàn)的不同要求、能計(jì)算特定場(chǎng)景下的指令與數(shù)據(jù)有效地址。掌握指令設(shè)計(jì)基本原理：能根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景需要設(shè)計(jì)優(yōu)化指令格式：深刻理解不同操作數(shù)尋址方式的工作原理與特點(diǎn)，能根據(jù)約束條件選擇最優(yōu)化的數(shù)據(jù)尋址方式，并綜合應(yīng)用操作碼擴(kuò)展、地址碼優(yōu)化和應(yīng)用約束條件，進(jìn)行指令格式優(yōu)化設(shè)計(jì)。了解指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)：能對(duì)比CISC與RISC的概念和特點(diǎn)，能簡(jiǎn)要總結(jié)、對(duì)比MIPS、RISC-V、ARMv8等指令格式及特點(diǎn)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：操作數(shù)尋址方式、指令格式設(shè)計(jì)教學(xué)難點(diǎn)：操作碼擴(kuò)展、指令格式優(yōu)化設(shè)計(jì)教學(xué)主要內(nèi)容MIPS指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介（70分鐘）指令系統(tǒng)概述（5分鐘）指令格式（15分鐘）指令字長(zhǎng)度指令地址碼指令操作碼尋址方式（30分鐘）指令類(lèi)型（5分鐘）指令格式設(shè)計(jì)（15分鐘）CISC和RISC（5分鐘）復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)舉例（10分鐘）教學(xué)過(guò)程與方法MIPS指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介列舉50年來(lái)一些經(jīng)典指令系統(tǒng)，引出指令集設(shè)計(jì)目標(biāo)。簡(jiǎn)單介紹MIPS指令系統(tǒng)的發(fā)展歷史，主要應(yīng)用場(chǎng)合。詳細(xì)講解MIPS32指令系統(tǒng)中的32個(gè)通用寄存器，注意寄存器編號(hào)就是寄存器地址，寄存器是全局變量，函數(shù)調(diào)用時(shí)需要根據(jù)約定進(jìn)行寄存器現(xiàn)場(chǎng)保存。以加減法為例介紹MIPS獨(dú)有的三操作數(shù)指令結(jié)構(gòu)，一條簡(jiǎn)單的運(yùn)算指令很容易直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的MIPS機(jī)器指令。介紹復(fù)雜運(yùn)算表達(dá)式如何轉(zhuǎn)換成MIPS機(jī)器指令，每個(gè)運(yùn)算操作符對(duì)應(yīng)一條MIPS機(jī)器指令。以C語(yǔ)言中的數(shù)組變量訪問(wèn)為例介紹MIPS訪存指令以C語(yǔ)言中變量加常量運(yùn)算為例介紹MIPS立即數(shù)指令以C語(yǔ)言ifelse結(jié)構(gòu)介紹MIPS中條件判斷指令注意區(qū)分beq$0,$0,label指令與jlabel指令的區(qū)別簡(jiǎn)單介紹MIPS移位指令（注意偏移量位數(shù)的限制），邏輯運(yùn)算指令。介紹C語(yǔ)言循環(huán)結(jié)構(gòu)與MIPS指令之間的關(guān)系，首先改寫(xiě)代碼，再轉(zhuǎn)換成MIPS機(jī)器指令。詳細(xì)解釋循環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的MIPS匯編代碼介紹MIPS比較特殊的SLT指令，可以與beq，bne指令配合用于比較大小的條件分支引出MIPS過(guò)程調(diào)用機(jī)制，介紹需要用到的若干通用寄存器。詳細(xì)解釋MIPS過(guò)程調(diào)用機(jī)制，本質(zhì)上就是執(zhí)行程序的跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行完畢還需要返回調(diào)用位置。詳細(xì)介紹MIPS過(guò)程調(diào)用需要用到的jal指令和jr指令，引出過(guò)程嵌套存在的全局變量破壞問(wèn)題，如何保存現(xiàn)場(chǎng)。介紹MIPS多級(jí)過(guò)程調(diào)用寄存器傳參存在的問(wèn)題。詳細(xì)介紹如何通過(guò)內(nèi)存堆棧保存寄存器現(xiàn)場(chǎng)，注意MIPS中沒(méi)有push，pop堆棧指令，而是利用訪存指令和堆棧指針運(yùn)算指令聯(lián)合實(shí)現(xiàn)。介紹函數(shù)調(diào)用時(shí)caller與callee的關(guān)系。調(diào)用者保存寄存器與被調(diào)用者保存寄存器，需要注意的是中斷處理程序沒(méi)有調(diào)用者，其由外部事件隨機(jī)觸發(fā)，所以中斷服務(wù)程序中所有將被修改的寄存器都必須作為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行保存。指令系統(tǒng)概述簡(jiǎn)單介紹指令系統(tǒng)基本概念分析指令集架構(gòu)層所處層次與重要性簡(jiǎn)單介紹指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要遵循的一些原則指令格式講解指令格式基本概念，注意操作碼，尋址方式，地址碼各字段的功能，需要注意的是不是所有指令都是包含尋址方式位，MIPS指令中沒(méi)有尋址方式位，尋址方式暗含在操作碼中。操作碼長(zhǎng)度與指令系統(tǒng)規(guī)模之間的關(guān)系，需要學(xué)生掌握地址碼長(zhǎng)度與尋址方式、尋址空間的的關(guān)系。介紹指令字長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系，定長(zhǎng)指令與變長(zhǎng)指令的差異。根據(jù)地址碼數(shù)目對(duì)指令進(jìn)行分類(lèi)，可以聯(lián)合不同類(lèi)型的指令集進(jìn)行解釋?zhuān)鏜IPS的三地址指令，X86的二地址指令，單地址指令。詳細(xì)介紹操作碼向地址碼字段擴(kuò)展增加指令數(shù)目的具體情況，舉例說(shuō)明如何計(jì)算擴(kuò)展操作碼指令系統(tǒng)中某類(lèi)指令的最大條數(shù)。尋址方式簡(jiǎn)單介紹機(jī)器指令中指令尋址與操作數(shù)尋址兩種方式以及具體細(xì)分。詳細(xì)介紹指令尋址中利用程序計(jì)數(shù)器PC實(shí)現(xiàn)順序?qū)ぶ返幕驹碓敿?xì)介紹指令尋址中利用程序計(jì)數(shù)器PC實(shí)現(xiàn)跳躍尋址的基本原理簡(jiǎn)要介紹操作數(shù)尋址的基本概念和一些約定字段的定義與符號(hào)規(guī)則。簡(jiǎn)要介紹立即數(shù)尋址方式操作數(shù)就在指令字中的形式地址字段簡(jiǎn)要介紹寄存器尋址方式操作數(shù)在寄存器中，形式地址字段為寄存器編號(hào)簡(jiǎn)要介紹直接尋址方式操作數(shù)在主存單元中，形式地址字段為主存地址簡(jiǎn)要介紹間接尋址方式操作地址在主存單元中，形式地址字段為操作數(shù)地址的地址，尋址范圍大，但需兩次訪存才能得到操作數(shù)，執(zhí)行速度慢，已被寄存器間接尋址替代。簡(jiǎn)要介紹寄存器間接尋址方式操作數(shù)地址為寄存器值，相比間接尋址速度更快。簡(jiǎn)要介紹相對(duì)尋址方式操作數(shù)在主存單元中，程序寄存器PC+形式地址字段為主存地址，需要注意的是不同指令系統(tǒng)形成相對(duì)尋址地址方式不同，MIPS中是PC+4+形式地址，RISC-V是PC+形式地址。通常用于分支跳轉(zhuǎn)或者循環(huán)結(jié)構(gòu)中。簡(jiǎn)要介紹基址/變址尋址方式操作數(shù)地址為寄存器值+形式地址，變址尋址用于高級(jí)語(yǔ)言中數(shù)組結(jié)構(gòu)的訪問(wèn)，而基址尋址主要用于多道程序的動(dòng)態(tài)定位問(wèn)題。簡(jiǎn)要介紹堆棧尋址方式，包括硬件堆棧和軟件堆棧兩種，注意辨析二者的差異。可以簡(jiǎn)單介紹下硬件堆棧的實(shí)現(xiàn)方式。簡(jiǎn)單講解硬件堆棧壓棧和出棧操作。簡(jiǎn)單講解軟件堆棧壓棧和出棧操作?？偨Y(jié)不同尋址方式的指令格式、操作數(shù)地址，尋址范圍的差異。用一個(gè)例子帶領(lǐng)學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)練習(xí)，鞏固不同尋址方式的理解。指令類(lèi)型簡(jiǎn)要介紹指令分類(lèi)方法簡(jiǎn)要介紹x86指令系統(tǒng)分類(lèi)簡(jiǎn)要介紹MIPS指令系統(tǒng)分類(lèi)指令格式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)要介紹簡(jiǎn)單指令格式設(shè)計(jì)的基本思路，根據(jù)指令系統(tǒng)規(guī)模確定操作碼長(zhǎng)度，根據(jù)操作數(shù)的要求確定地址碼個(gè)數(shù)，根據(jù)尋址方式多少確定尋址方式字段長(zhǎng)度。舉例進(jìn)行求解，加深理解。給出指令格式，分析指令系統(tǒng)特點(diǎn)。以一道考研統(tǒng)考題為例介紹指令系統(tǒng)需要掌握的程度。CISC與RISC介紹CISC與RISC的差異，以及二者逐漸融合的發(fā)展趨勢(shì)。簡(jiǎn)要介紹RISC的基本特征。指令系統(tǒng)舉例簡(jiǎn)要介紹MIPS3類(lèi)基本指令格式，給出不同類(lèi)型指令的詳細(xì)分析。MIPS5種尋址方