计算机系统结构第二章指令系统

计算机系统结构第二章指令系统内容摘要：

算术表达式 : 用三地址指令编写的程序如下： MUL X, A, B。 X←(A) (B) ADD X, X, C。 X←(X) ＋ (C) SUB X, X, D。 分子的计算结果在中 ADD Y, E, F。 计算分母 ,存入 Y DIV X, X, Y。 最后结果在 X单元中 用普通二地址指令编写的程序： MOVE X, A。 复制临时变量到 X中 MUL X, B ADD X, C SUB X, D。 X中存放分子运算结果 MOVE Y, E。 复制临时变量到 Y中 ADD Y, F。 Y中存放分母运算结果 DIV X, Y。 最后结果在 X单元中 用多寄存器结构的二地址指令编写程序： MOVE R1, A。 操作数 a取到寄存器 R1中 MUL R1, B ADD R1, C SUB R1, D。 R1中存放分子运算结果 MOVE R2, E ADD R2, F。 R2中存放分母运算结果 DIV R1, R2。 最后结果在 R1中 MOVE X, R1。 最后结果存入 X中 用一地址指令编写的程序： LOAD E。 先计算分母，。 取一个操作数到累加器中 ADD F。 分母运算结果在累加器中 STORE X。 保存分母运算结果到 X中 LOAD A。 开始计算分子 MUL B ADD C SUB D。 累加器中是分子运算结果 DIV X。 最后运算结果在累加器中 STORE X。 保存最后运算结果到 X中 65 用 0地址指令编写程序： ab*c+def+/ PUSH A。 操作数 a压入堆栈 PUSH B。 操作数 b压入堆栈 MUL。 栈顶两数相乘 ,结果压回堆顶 PUSH C ADD PUSH D SUB。 栈顶是分子运算的结果 PUSH E PUSH F ADD DIV。 栈顶是最后运算的结果 POP X。 保存最后运算结果 用不同地址个数指令编写的程序 的存储容量和执行速度 地址数目 指令条数 访存次数 程序存储量 执行速度 ( 访存信息量 ) 三地址 5 20 5P ＋ 15A ＝ 65B 5P ＋ 15A ＋ 15D ＝ 185B 二地址 7 26 7P ＋ 14A ＝ 63B 7P ＋ 14A ＋ 19D ＝ 215B 一地址 9 18 9P ＋ 9 A ＝ 45B 9P ＋ 9 A ＋ 9 D ＝ 117B 零地址 12 41 12P ＋ 7A ＝ 40B 12P ＋ 7A ＋ 29D ＝ 272B 二地址 寄存器型 8 15 8P+7A+9R ＝ 40B 8P+7A+9R+7D ＝ 96B P 表 示操作码长度， A 表示地址码长度， D 表示数据长度， R 表示通用寄存器的地址码长度， B 表示字节数。 并取： D ＝ 2A ＝ 8P ＝ 16R ＝ 8B 不同地址个数指令 的特点及适用场合 地址数目 程序 的长度 程序 存储量 程序 执 行速度 适用场合 三地址 最短 最大 一般 向量，矩阵运算为主 二地址 较短 很大 很低 一般不宜采用 一地址 较长 较大 较快 连续运算 , 硬件结构简单 零地址 最长 最小 最低 嵌套，递归，变量较多 二地址 寄存器型 一般 最小 最快 多累加器，数据传送较多 • 关于地址码个数结论： 对于一般商用处理机，采用多寄存器结构的二地址指令是最理想的。 如果强调硬件结构简单，并且以连续运算（如求累加和等）为主，宜采用一地址结构。 对于以向量、矩阵运算为主的处理机，最好采用三地址结构。 部分 RISC处理机也采用三地址指令。 对于解决递归问题为主的处理机，宜采用零地址结构。 编程容易、节省程序存储量。 2. 缩短地址码长度的方法 用一个短地址码表示一个大地址空间 • 用间址寻址方式缩短地址码长度 方法：在主存储器的低端开辟一个专门存放间接地址的区域 • 用变址寻址方式缩短地址码长度 变址寻址方式中的地址偏移量比较短， • 用寄存器间接寻址方式缩短地址码长度 例如： 16个间址寄存器，用 4位地址码就能表示很长的逻辑地址空间。  MIPS 有 32个 64位通用寄存器， R0,R1…,R31。  32个浮点数寄存器， F0,F1…,F31。  R0的值永远是 0。 指令格式设计举例 指令系统的功能设计 完整性、规整性、高效率和兼容性 通用计算机必须有 5类基本指令 指令系统的优化设计 CISC、 RISC和 VLIW 指令系统的性能 完整性、规整性、高效率和兼容性 1. 完整性是指应该具备的基本指令种类 如： 通用计算机必须有５类基本指令 数据传送类、运算类、程序控制、输入输出指令、处理机控制和调试指令 2. 规整性包括对称性和均匀性 对称性： 各种与指令系统有关的数据存储设备的使用、操作码的设置等都要对称。 如：所有的寄存器同等对待。 如 AB与BA 均匀性： 对于各种不同的数据类型、字长、存储设备、操作种类，指令的设置要同等对待。 3. 高效率： 指令的执行速度要快 指令的使用频度要高 各类指令要有一定的比例 如：运算类指令占 40%以上， 数据传送类指令占 30%等。 4. 兼容性： 在同一系列机内，指令系统，包括寻址方式和数据表示等保持基本不变； 可以适当增加指令、增加寻址方式，增加数据表示等；但不能减少任何已有的 ……。 基本指令系统 通用计算机必须有５类基本指令 数据传送类指令 运算类指令 程序控制指令 输入输出指令 处理机控制和调试指令 1. 数据传送类指令 由如下三个主要因素决定： (1)数据存储设备 的种类 (2)数据单位 ：字、字节、位、数据块等 (3)采用的寻址方式 例如，考虑数据存储设备的种类： 寄存器 寄存器 寄存器 主存储器 寄存器 堆栈 主存储器 寄存器 主存储器 主存储器 主存储器 堆栈 堆栈 寄存器 堆栈 主存储器 2. 运算类指令 : 考虑四个因数的组合： 操作种类 ： 加、减、乘、除、与、或、非、异或、比较、移位、检索、转换、匹配、清除、置位等 数据表示 ： 定点、浮点、逻辑、十进制、字符串、向量等 数据长度 ： 字、双字、半字、字节、位、数据块等 数据存储设备 ： 寄存器、主存储器、堆栈等 例 P 104 以寄存器加法指令为例，一般设置如下几种： 寄存器 寄存器型的 定点单字长加法指令 寄存器 寄存器型的 定点双字长加法指令 寄存器 寄存器型的 定点半字加法指令 寄存器 寄存器型的 字节加法指令 寄存器 寄存器型的 浮点单字长加法指令 寄存器 寄存器型的 浮点双字长加法指令 寄存器 寄存器型的 单字长逻辑加法指令 寄存器 寄存器型的 定点向量加法指令 寄存器 寄存器型的 浮点向量加法指令 以移位指令为例： 需要组合以下三个因素： (1)移位方向： 左移 (L)、右移 (R) (2)移位种类： 算术移位 (A)、逻辑移位 (L)、 循环移位 (R) (3)移位长度： 单字长 (S)、双字长 (D) 组合起来共有： 3 2 2＝ 12种， 其中，逻辑左移与算术左移相同 一般机器中要设置 10条移位指令 一般机器中要设置 10条移位指令 SLAS 单字长算术左移 SRAS 单字长算术右移 SLLS(SRLS)单字长逻辑左移 ,单字长算术左移 SLRS 单字长循环左移 SRRS 单字长循环右移 SLAD 双字长算术左移 SRAD 双字长算术右移 SLLD(SRLD)双字长逻辑左移 ,双字长算术左移 SLRD 双字长循环左移 SRRD 双字长循环右移 3. 程序控制指令 有多种转移指令 ： 无条件转移，条件转移指令 调用与返回指令 循环控制指令 …… 转移条件： 零 (Z)、正负 (N)、进位 (C)、溢出 (V)及其组合 由条件转移指令之前的指令产生条件码 由条件转移指令本身产生转移条件 多组条件码 条件转移指令举例 一般条件转移指令 条件码由转移指令之前的指令产生， 对指令流水线的影响小。 例如 ： BEQ ADR。 等于零转移 BLS ADR。 小于转移 BLEQ ADR。 小于等于转移 BLSU ADR。 不带符号小于转移 BLEQU ADR。 不带符号小于等于转移 BCC ADR。 没有进位转移 BVC ADR。 没有溢出转移 复合条件转移指令 代替 2条指令，首先进行运算，并根据运算的结果决定是否转移 不需要条件码，与高级语言一致。 例如： DNB R ADR。 R←(R) 1,如果 R≠0 转移 INB R ADR。 R←(R)+1, 如果 R≠0 转移 JEQ R1， R2， ADR。 如果 (R1)=(R2)转移 JAD EQ， Rd， Rs， ADR。 Rd←(Rd)+(Rs),。 如果 (Rd)=0转移 循环控制指令 用 1条指令完成循环的控制 代替 3条指令的功能：运算、比较和转移。 例如： JL Rs， Rz， Ri， ADR Rs中存放循环变量， Rz中存放循环终值， Ri中存放循环的步长。 地址个数太多时，可以把其中的 1个或几个地址隐含起来。 例如，在 IBM370下列机中， Ri隐含，循环步长放在与 Rz紧相邻的下一寄存器中。 程序调用和返回指令 本身可以不带条件，也可以带有条件 CALL 转入子程序 RETURN 从子程序返回 CALL CC 当条件 CC满足时转入子程序 RETURN CC 当条件 CC满足时从子程序返回 中断控制指令： 开中断、关中断 改变屏蔽 中断返回 自陷等 4. 输入输出指令 启动、停止、测试设备，数据输入、输出等 采用单一的直接寻址方式， 在多用户或多任务环境下，输入输出指令属于特权指令 5. 处理机控制和调试指令 处理机状态切换指令， 处理机有多个状态，管态和用户态 硬件和软件的调试指令 硬件调试指令：开关状态读取、寄存器和主存单元的显示等 软件调试指令：断点设置、跟踪，自陷指令等 指令系统的优化设计 优化指令系统设计的 3个阶段： CISC：复杂指令系统 60年代至 70年代中期 RISC：精简指令系统 70年代后期至现在 VLIW： 80年代初期至现在 关键在软硬件的功能分配，系统的综合性能 时间与空间；执行、编译、编写时间。 1. 复杂指令系统计算机 CISC(Complex Instruction Set Computer） 方法： 用一条指令代替一串指令 增加新的指令 增强指令功能，设置功能复杂的指令，把原来由软件实现的常用的功能改用硬件的指令系统来实现。 增加寻址方式 增加数据表示方式 优化的途径： 面向目标代码 面向高级语言。