第02章 指令系統(tǒng)

張晨曦第三版華中科技大學(xué)計算機學(xué)院2013年3月作業(yè)：P51頁2.1（RISCCISC通用寄存器型機器）2.32.1指令集結(jié)構(gòu)的分類2.2尋址技術(shù)2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計2.4操作數(shù)的類型、表示和大小2.5指令集格式的設(shè)計2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)第二章

計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類2.1.1指令集結(jié)構(gòu)分類根據(jù)五個因素對計算機指令集結(jié)構(gòu)進行分類：

(1)

在CPU中操作數(shù)的存儲方法(2)指令中顯式表示的操作數(shù)個數(shù)(3)操作數(shù)的尋址方式(4)指令集所提供的操作類型(5)操作數(shù)的類型和大小第二章

計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計1.CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元主要有：2.指令中的操作數(shù)可以顯式給出，也可以隱式地給出。3.CPU對操作數(shù)的不同存取方式。進而分成3種指令集

堆棧隱式

累加器隱式一組寄存器

顯式CPU中操作數(shù)的存儲方法，是各種指令集結(jié)構(gòu)之間最主要的區(qū)別所在。2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類

CPU對操作數(shù)的不同存取方式

CPU提供的暫存器每條ALU指令顯式表示的操作數(shù)個數(shù)運算結(jié)果的目的地訪問顯式操作數(shù)的過程堆棧0堆棧Push/Pop累加器1累加器Load/Store累加器一組寄存器2/3寄存器或存儲器Load/Store寄存器或存儲器

4.根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元類型進行分類，可以分為

堆棧型指令集結(jié)構(gòu)累加器型指令集結(jié)構(gòu)通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)

例C=A+B表達式在這三種類型指令集結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)方法。假設(shè)A、B、C均是保存在存儲器單元中，且A和B的值在運算過程中一直被保持。2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類堆棧累加器寄存器(寄存器－存儲器)寄存器（寄存器－寄存器）PUSHALOADALOADR1,ALOADR1,APUSHBADDBADDR1,BLOADR2,BADDStoreCStoreC,R1AddR3,R1,R2POPCStoreC,R313次訪存6次訪存6次訪存7次訪存C=A+B表達式在這三種類型指令集結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)方法

三種類型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

指令集結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點缺點堆棧型

是一種表示計算的簡單模型；指令短小。

堆棧不能被隨機訪問，從而很難生成有效代碼。同時，由于堆棧是瓶頸，所以很難被高效地實現(xiàn)。累加器型

減小了機器的內(nèi)部狀態(tài)；指令短小。

由于累加器是唯一的暫存器，這種機器的存儲器通信開銷最大。寄存器型

是代碼生成最一般的模型。

所有操作數(shù)均需命名，且顯式表示，因而指令比較長。2.1.2通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的分類

1.通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點使編譯器有效地使用寄存器。(1)在表達式求值方面，比其它類型指令集結(jié)構(gòu)

具有更大的靈活性;(2)寄存器可以用來存放變量。◆

減少存儲器的通信量，加快程序的執(zhí)行速度。（因為寄存器比存儲器快）◆可以用更少的地址位來尋址寄存器，從而可以有效改進程序的目標代碼大小。2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類3.兩種主要的指令特性能夠?qū)⑼ㄓ眉拇嫫髦噶罴Y(jié)構(gòu)（GPR）進一步細分

(1)ALU(算術(shù)邏輯)指令到底有兩個或是三個操作數(shù)？

◆

有三個操作數(shù)的指令：兩個源操作數(shù)一個結(jié)果操作數(shù)2.CPU需要設(shè)置多少個寄存器呢？

主要由編譯器使用寄存器的情況來決定。

為表達式求值保留一些寄存器為傳遞參數(shù)保留一些寄存器用剩下的寄存器來保存變量2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類

◆

有兩個操作數(shù)的指令：一個操作數(shù)既作為源操作數(shù)，也作為目的操作數(shù)。(2)在ALU指令中，有多少個操作數(shù)可以用存儲器來尋址，也即有多少個存儲器操作數(shù)？一般來說，ALU指令有0～3個存儲器操作數(shù)。2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類ALU指令中，存儲器操作數(shù)個數(shù)和操作數(shù)個數(shù)的

所有可能組合，以及相應(yīng)的機器實例ALU指令中存儲器操作數(shù)個數(shù)ALU指令中操作數(shù)的最大個數(shù)機器實例02IBMRT-PC3SPARC，MIPS12PDP-10，IBM360，Motorola680003IBM360的部分指令22PDP－11，部分IBM360指令3

33VAX(3)通用寄存器指令集結(jié)構(gòu)進一步細分為三種類型：(4)常見的三種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點

注：表中(m,n)的含義是，指令的n個操作數(shù)中有m個存儲器操作數(shù)。

寄存器---寄存器型（R-R:register-register)

寄存器---存儲器型（R-M:register-memory）

存儲器---存儲器型（M-M:memory-memory）2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類指令集結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點缺點

寄存器－寄存器型（0,3）簡單，指令字長固定，是一種簡單的代碼生成模型，各種指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)相近。

和指令中含有對存儲器操作數(shù)訪問的結(jié)構(gòu)相比，指令條數(shù)多，因而其目標代碼較大。

寄存器－存儲器型（1,2）

可以直接對存儲器操作數(shù)進行訪問，容易對指令進行編碼，且其目標代碼較小。ADDR1,B指令中的操作數(shù)類型不同。在一條指令中同時對一個寄存器操作數(shù)和存儲器操作數(shù)進行編碼，將限制指令所能夠表示的寄存器個數(shù)。由于指令的操作數(shù)可以存儲在不同類型的存儲器單元，所以每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也不盡相同。存儲器－存儲器型（3,3）是一種最緊密的編碼方式，無需“浪費”寄存器保存變量。指令字長多種多樣。每條指令的執(zhí)行時鐘周期數(shù)也大不一樣，對存儲器的頻繁訪問將導(dǎo)致存儲器訪問瓶頸問題。2.1指令集結(jié)構(gòu)的分類本節(jié)思考指令格式越簡單,編譯器的工作越簡單還是越復(fù)雜?P32指令格式越多樣,目標代碼越大還是越小?有了寄存器,編譯才有挑戰(zhàn)!2.2尋址方式

在通用寄存器指令集結(jié)構(gòu)中，一般是利用尋址方式指明指令中的操作數(shù)是一個常數(shù)、一個寄存器操作數(shù)，抑或是一個存儲器操作數(shù)。

2.

當前指令集結(jié)構(gòu)中所使用的一些操作數(shù)尋址方式。第二章

計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計尋址方式指令實例含義寄存器尋址AddR4,R3Regs[R4]←Regs[R4]＋Regs[R3]立即值尋址AddR4,#3Regs[R4]←Regs[R4]＋3偏移尋址AddR4,100(R1)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[100+Regs[R1]]寄存器間接尋址AddR4,(R1)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R1]]索引尋址AddR3,(R1+R2)Regs[R3]←Regs[R3]＋Mem[Regs[R1]+Regs[R2]]直接尋址或絕對尋址AddR1,(1001)Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[1001]存儲器間接尋址AddR1,@(R3)Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Mem[Regs[R3]]]自增尋址AddR1,(R2)+Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]]Regs[R2]←Regs[R2]＋d自減尋址AddR1,-(R2)Regs[R2]←Regs[R2]－dRegs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]]縮放尋址AddR1,100(R2)[R3]Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[100＋Regs[R2]＋Regs[R3]*d]3.尋址方式使用情況統(tǒng)計結(jié)果(大概率事件優(yōu)先)（VAX指令集結(jié)構(gòu)的機器：gcc、Spice和Tex基準程序）立即值尋址方式和偏移尋址方式的使用頻率十分高。4.各種偏移量字段大小的使用情況寄存器－寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的機器上（MIPS）

◆

運行SPECint92基準程序集（compress、espresso、eqntott、gcc、li）

◆

運行SPECfp92基準程序集（dudoc、ear、hydro2d、mdljdp2、su2cor）2.2尋址方式

x軸的標記是對偏移量大小進行l(wèi)og2（·）運算所得，也就是偏移量字段的位數(shù)。2.2尋址技術(shù)◆

程序所使用的偏移量大小分布十分廣泛；◆

較小的偏移量和較大的偏移量均占有相當大的比例；◆

將偏移量字段的大小設(shè)置為12～16位。這種長度可以支持上述75％～99％基于偏移尋址方式的數(shù)據(jù)訪問中偏移量大小的表示。

2.2尋址方式5.在一種Load/Store型指令集結(jié)構(gòu)上，一些指令使用

立即值尋址方式的頻率。

比較指令和ALU指令使用立即值尋址方式十分頻繁。

6.不同立即值大小的使用分布情況

將立即值的大小設(shè)置為8～16位，可以覆蓋所有使用立即值尋址方式指令的50％～80％。

2.2尋址方式目標相同：都是為了解決操作數(shù)地址的修改問題，都能做到不改變程序而修改操作數(shù)地址。一臺計算機中，原則上，僅需設(shè)置間址尋址方式與變址尋址方式中的任何一種即可。主要差別：間接尋址地址在主存儲器中，沒有偏移量；變址尋址地址在寄存器中，帶偏移量。優(yōu)缺點：間接實現(xiàn)容易，只需要一條主存到數(shù)據(jù)寄存器的通路。速度慢，讀一個操作數(shù)需要訪存兩次以上。變址需要一個硬件加法器，不需要訪存，速度快；變址更適合于數(shù)組運算；變址可以向前也可以向后偏移；無論采用哪種方式，對于數(shù)組運算，都需要對地址進行增量的指令。但變址尋址可以帶有偏移量，更有效。間接尋址與變（偏）址尋址START:MOVEASI,ASR保存源數(shù)組基地址，為了程序的再入性MOVEADI,ADR保存目標(Destination)數(shù)組基地址MOVECNT,NUM保存數(shù)據(jù)個數(shù)LOOP:MOVE@ADI,@ASI傳送數(shù)據(jù)設(shè)AD、AS地址為100、101INCASI,源數(shù)組地址加1AD、AS中數(shù)據(jù)為10、50INCADI,目標數(shù)組地址加1地址50的數(shù)據(jù)放至地址10DECCNT,個數(shù)減1AD、AS中數(shù)據(jù)為11、51BGTLOOP,判斷仍然去地址100、101HALT停機100和500中的值為11、51ASR:AS源基地址地址51的數(shù)據(jù)放至地址11ADR:AD目標基址即10、50為源、目標初址NUM:N需傳送數(shù)據(jù)數(shù)目ASI:0當前征傳送源數(shù)組地址ADI:0當前征傳送目標數(shù)組地址CNT:0乘余數(shù)據(jù)個數(shù)START:MOVER,AS送源數(shù)組基址到寄存器R=10MOVECNT,NUM保存數(shù)據(jù)個數(shù)AD-AS=40LOOP:MOVEAD-AS(R),(R)AD-AS為地址偏移量，確定值INCR,變址寄存器中的值加1DECCNT,個數(shù)減1把10中的值放入40+10中BGTLOOP,判斷R=11HALT停機把11中的值放入40+11中NUM:N需傳送數(shù)據(jù)數(shù)目CNT:0乘余數(shù)據(jù)個數(shù)以AD=50，AS=10舉例MOVEAD-AS(R),(R),只需要訪存3次，哪3次？AD-AS匯編時計算

MOVE@ADI,@ASI,至少要訪存5次，哪5次？××00字節(jié)半字雙××08字單字半××10字單字字節(jié)單××18字××20××00字節(jié)浪費××08半字浪費××10單字浪費××18雙字××2010001001101010111100110111101111字節(jié)編址2.2尋址方式2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計

第二章

計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性：足夠用規(guī)整性：

對稱性——操作碼和存儲單元設(shè)置要對稱均勻性——數(shù)據(jù)表示、存儲單元、字長設(shè)置要均勻高效率：兼容性：能增加，但不能刪除和更改指令功能操作類型實例算術(shù)和邏輯運算整數(shù)的算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或等。數(shù)據(jù)傳輸Load/Store控制分支、跳轉(zhuǎn)、過程調(diào)用和返回、自陷(trap)等。系統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)用、虛擬存儲器管理等。浮點浮點操作：加、乘等。十進制十進制加、十進制乘、十進制到字符的轉(zhuǎn)換。字符串字符串移動、字符串比較、字符串搜索等。圖形象素操作、壓縮/解壓操作等。1.指令集中操作的分類

2.一種指令集結(jié)構(gòu)中的指令到底要支持哪些類型的操作？

(指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計問題)

兩種截然不同的方向：◆

復(fù)雜指令集計算機（CISC）強化指令功能，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移?！?/p>

精簡指令集計算機（RISC）盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達到 簡化實現(xiàn)，提高性能的目的。

當今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的一個主要趨勢。2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計2.3.1CISC指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計CISC結(jié)構(gòu)追求的目標：

強化指令功能，減少程序的指令條數(shù)，以達到提高性能的目的。增強指令功能主要是從如下幾個方面著手：1.

面向目標程序增強指令功能

提高運算型指令功能expect

提高傳送指令功能vector

增加程序控制指令功能ceil2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計2.面向高級語言和編譯程序改進指令系統(tǒng)

(1)增加對高級語言和編譯系統(tǒng)支持的指令功能

◆

對源程序中各種高級語言語句進行使用頻 度的統(tǒng)計與分析，對于使用頻度高的語句， 可以設(shè)置專門的指令或采取措施增加相應(yīng) 令的功能，以提高其編譯速度和執(zhí)行速度。

◆

從面向編譯程序，尤其是從優(yōu)化代碼生成 的角度進行考慮，增加指令集結(jié)構(gòu)的規(guī)整 性來改進指令系統(tǒng)。2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計規(guī)整性：沒有或盡可能減少例外的情況和特殊的應(yīng)用，以及所有運算都能對稱、均勻地

在存儲器單元或寄存器單元之間進行。(2)高級語言計算機指令系統(tǒng)

◆面向高級語言(HL)的機器縮小機器語言和高級語言的語義差距。

◆間接執(zhí)行型高級語言機器高級語言和機器語言是一一對應(yīng)的，用匯編的方法(可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn))把高級語言源程序翻譯成機器語言程序。2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計◆直接執(zhí)行型高級語言機器高級語言就作為機器語言，直接由硬件或固件對高級語言源程序的語句逐條進行解釋以執(zhí)行它。3.面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)改進指令系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的實現(xiàn)在很大程度上取決于體系結(jié)構(gòu)的支持。

(1)主要表現(xiàn)在對以下方面的支持2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計

中斷處理

進程管理

存儲管理和保護系統(tǒng)工作狀態(tài)的建立與切換

(2)設(shè)置指令來優(yōu)化操作系統(tǒng)

支持系統(tǒng)工作狀態(tài)和訪問方式轉(zhuǎn)移的指令支持進程轉(zhuǎn)移的指令支持進程同步和互斥的指令2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計2.3.2RISC指令集功能的設(shè)計1.CISC結(jié)構(gòu)存在的缺點(寫出來的程序小，內(nèi)存貴)(1)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。(2)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計錯誤。(3)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計增加了很大負擔，不利于單片集成。2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(4)CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。2.RISC計算機(1)指令系統(tǒng)只包含那些使用頻率很高的指令和一些必要指令。

Intel80X86最常用的十條指令2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計執(zhí)行頻率排序80X86指令指令執(zhí)行頻率（％執(zhí)行指令總數(shù)）1Load22％2條件分支20％3比較16％4Store12％5加8％6與6％7減5％8寄存器－寄存器間數(shù)據(jù)移動4％9調(diào)用1％10返回1％合計96％Intel80X86最常用的十條指令

(2)目的使得計算機體系結(jié)構(gòu)更加簡單、更加合理和更加有效，克服CISC結(jié)構(gòu)的缺點，使機器速度更快，程序運行時間縮短，從而提高計算機系統(tǒng)的性能。(3)設(shè)計原則

選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令；每條指令的功能應(yīng)盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成；所有指令長度均相同；2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計

只有Load和Store操作指令才訪問存儲器;

其它指令操作均在寄存器之間進行；以簡單有效的方式支持高級語言。2.3.3控制指令

(1)跳轉(zhuǎn):當控制指令為無條件改變控制流時，稱之為“跳轉(zhuǎn)”。(2)分支：當控制指令是有條件改變控制流時，稱之為“分支”。2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計

條件分支跳轉(zhuǎn)過程調(diào)用過程返回(3)控制流程的各種改變情況2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計1.控制指令的使用頻率

（一臺Load/Store型指令集結(jié)構(gòu)的機器：SPECint92、Specfp92基準程序）改變控制流的大部分指令是條件分支指令。表示分支條件的技術(shù)測試分支條件的方法優(yōu)點缺點條件碼（CC）

在程序的控制下，由ALU操作設(shè)置特殊的位。

可以自由設(shè)置分支條件。CC是額外狀態(tài)，條件碼限制了指令順序，因為必須從一條指令將分支條件信息傳送到分支指令。條件寄存器

根據(jù)比較結(jié)果測試條件寄存器。

簡單

占用了一個寄存器。

比較且分支比較操作是分支指令的一部分，通常這種比較是受一定限制的。一條指令完成了兩條指令的功能。

分支指令的操作增多。2.常用的三種表示分支條件的技術(shù)及其優(yōu)缺點3.分支目標地址的表示

PC－相對尋址：在指令中提供一個和程序計數(shù)器（PC）的值相加的偏移量。(1)有效地縮短指令中表示目標地址的字段的長度；(2)使得代碼在執(zhí)行時與它被載入的位置無關(guān)。關(guān)鍵問題是：轉(zhuǎn)移目標離當前控制指令的偏移量有多大？

2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計4.過程調(diào)用和返回的狀態(tài)保存

兩種方法來保存寄存器的內(nèi)容：

(1)“由調(diào)用者保存”方法

caller在一個調(diào)用者調(diào)用別的過程時，必須保存調(diào)用者所要保存的寄存器，以備調(diào)用結(jié)束返回后，能夠再次訪問調(diào)用者。(2)“由被調(diào)用者保存”方法callee被調(diào)用的過程必須保存它要用的寄存器，保證不會破壞過程調(diào)用者的程序執(zhí)行環(huán)境，并在過程調(diào)用結(jié)束返回時，恢復(fù)這些寄存器的內(nèi)容。

2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計2.3指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計全局變量X保留在P2知道的地方。P2不會改變它，但P3也許會改變它。宜采用調(diào)用者保留。2.4操作數(shù)的類型、表示和大小操作數(shù)類型和操作數(shù)表示是軟硬件主要界面之一。操作數(shù)類型：面向應(yīng)用、面向軟件系統(tǒng)所處理的各

種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).操作數(shù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識別、指令系統(tǒng)可以直

接調(diào)用的那些結(jié)構(gòu)。確定操作數(shù)表示是軟硬件取舍折衷的問題。第二章

計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.操作數(shù)的類型

整數(shù)（定點）浮點十進制字符2.操作數(shù)類型的兩種表示方法

(1)操作數(shù)的類型由操作碼的編碼指定。(最常見的一種方法)(2)數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標記，由這些標記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當?shù)倪\算。很少見

字符串向量堆棧2.4操作數(shù)的類型、表示和大小1013101410141014000000000000用數(shù)據(jù)描述符描述一個3×4二維陣列三元素向量四元素向量塊內(nèi)的元素個數(shù)四元素向量000000000000000000000000四元素向量3.操作數(shù)大小

字節(jié)半字（16位）單字（32位）雙字（64位）(1)字符:用ASCII碼表示，為一個字節(jié)大小。(2)整數(shù):用二進制補碼表示，其大小可以是字節(jié)、半字或單字。(3)浮點操作數(shù):單精度浮點（單字大?。┖碗p精度浮點（雙字大小）.IEEE754(4)字符串:將字符串中的每個字符當作一個字節(jié)來看待。2.4操作數(shù)的類型、表示和大小(5)十進制操作數(shù)

◆

壓縮十進制 用4位二進制數(shù)編碼數(shù)字0～9，然后將 兩個十進制數(shù)字壓縮在一個字節(jié)中存儲。

◆

二進制編碼十進制(非壓縮十進制) 將十進制數(shù)字直接用字符串來表示。4.訪問不同操作數(shù)大小的頻率

測試統(tǒng)計SPECint92基準程序和SPECfp92基準程序?qū)ψ止?jié)、半字、單字和雙字四種大小的操作數(shù)訪問情況。2.4操作數(shù)的類型、表示和大小基準程序?qū)巫趾碗p字的數(shù)據(jù)訪問具有較高的頻率。

◆

選擇操作數(shù)字段的長度為32位，可以有效支持8、16、32位整型操作數(shù)，以及32位浮點操作數(shù)的表示。

◆

選擇操作數(shù)字段長度為64位，則更具有一般性。2.5指令集格式的設(shè)計

◆指令由操作碼和地址碼組成。◆

指令集格式的設(shè)計確定操作碼字段和地址碼字段的大小及其組合形式，以及各種尋址方式的編碼方法?！?/p>

設(shè)計原則盡可能地增加寄存器數(shù)目和尋址方式類型；充分考慮寄存器字段和尋址方式字段對指令平均字長的影響，以及它們對目標代碼大小的影響；設(shè)計出的指令集格式能夠在具體實現(xiàn)中容易處理。第二章

計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5.1尋址方式的表示方法

1.兩種表示尋址方式的方法

(1)將尋址方式編碼于操作碼中，由操作碼在描述指令操作的同時，也描述了相應(yīng)操作的尋址方式；(2)為每個操作數(shù)設(shè)置一個地址描述符，由該地址描述符表示相應(yīng)操作數(shù)的尋址方式。

2.5指令集格式的設(shè)計2.選擇哪種表示尋址方式的方法？

由兩個因數(shù)決定(P47)：(1)指令集結(jié)構(gòu)所采用的尋址方式種類及其適用范圍(2)操作碼與尋址方式之間的獨立程度2.5.2指令集格式的選擇

三種指令集編碼格式:

變長編碼格式固定長度編碼格式混合型編碼格式2.5指令集格式的設(shè)計

1.

變長編碼格式◆

有效減少指令集結(jié)構(gòu)的平均指令長度，降低目標代碼的長度?！?/p>

使得各條指令的字長和執(zhí)行時間大不一樣。多數(shù)CISC計算機的指令集結(jié)構(gòu)均是采用這種編碼格式。2.

固定長度編碼格式

將操作類型和尋址方式組合編碼在操作碼中，所有指令的長度是固定唯一的。操作碼地址碼1地址碼2地址碼3操作碼地址描述符1地址碼1…地址描述符n地址碼n3.混合型編碼格式

通過提供一定類型的指令字長，期望能夠兼顧降低目標代碼長度和降低譯碼復(fù)雜度兩個目標。2.5指令集格式的設(shè)計操作碼地址描述符地址碼操作碼地址描述符1地址描述符2地址碼操作碼地址描述符地址碼1地址碼2思考題：某處理機的指令字長為16位，有雙地址、單地址和零地址三類，并假設(shè)每個地址段的長度為6位。(P522.12)（1）如果雙地址指令有15條，單地址和零地址指令的條數(shù)基本相同，問單地址和零地址各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。（2）如果要求三類指令的比例大致為1：9：9，問雙地址、單地址和零地址指令各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。2.5指令集格式的設(shè)計156364雙地址0000-1110單地址1111,0000,00-1111,1111,10零地址1111,1111,1100,0000-1111,1111,1111,111114126128雙地址0000-1101單地址1110,0000,00-1111,1111,01零地址1111,1111,1000,0000-1111,1111,1111,11112.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)MIPS是一種多元未飽和型指令集結(jié)構(gòu)。MIPS指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想：

Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages具有一個簡單的Load/Store指令集；注重指令流水效率；簡化指令的譯碼；高效支持編譯器。

第二章

計算機指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計2.6.1MIPS指令集結(jié)構(gòu)1.MIPS中的寄存器

(1)32個通用寄存器

命名：R0、R1、、R31

長度：32位寄存器R0的值總是為0。(2)32個浮點寄存器

命名：F0、F1、、F31

長度：32位(用來保存32位的單精度浮點數(shù))2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)◆

64位雙精度浮點數(shù)相鄰兩個浮點寄存器奇偶對FiFi+1

（i=0,2,4,,30）

命名:F0、F2、、F28、F30

(3)一些特殊的寄存器（比如用來保存浮點操作結(jié)果信息的浮點狀態(tài)寄存器）可以和通用寄存器相互進行數(shù)據(jù)傳送。2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)2.MIPS的數(shù)據(jù)類型

MIPS提供了多種長度的整型數(shù)據(jù)和浮點數(shù)據(jù)。(1)

整型數(shù)據(jù)有8位、16位和32位多種長度。(當8位和16位整型數(shù)據(jù)載入到寄存器中時，

用0或數(shù)據(jù)的符號位來填充32位通用寄存器

中的剩余位。)(2)

浮點數(shù)據(jù)有32位單精度浮點數(shù)和64位雙精度浮點數(shù)。浮點數(shù)據(jù)表示采用的是IEEE754標準。2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)IEEE754浮點數(shù)據(jù)表示標準1823S符號位EM指數(shù)尾數(shù)32位單精度形式11152S符號位EM指數(shù)尾數(shù)64位雙精度形式3.MIPS的尋址方式和數(shù)據(jù)傳送

(1)

尋址方式寄存器尋址立即值尋址偏移尋址寄存器間接尋址

(2)寄存器尋址字段的大小為5位，用來表示32個

通用寄存器或浮點寄存器。

(3)存儲器地址采用的是高端字節(jié)表示順序，存儲器按字節(jié)尋址，其地址寬度為32位。(能否直接尋址)2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)4.MIPS的指令格式

◆

尋址方式編碼在操作碼中。

◆

指令的字長32位，其中用6位表示操作碼。(4)通過寄存器（通用寄存器和浮點寄存器）和存

儲器之間的數(shù)據(jù)傳送操作完成對存儲器的訪問。2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)各種類型指令的格式5.MIPS中的操作

(1)四種類型的操作

Load和Store操作

ALU操作分支和跳轉(zhuǎn)操作浮點操作

(2)約定(1)符號“”:數(shù)據(jù)傳送操作其后附帶一個下標n，也即“n”表示傳送

一個n位數(shù)據(jù)。(2)符號“##”:兩個域的串聯(lián)操作2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)(3)域的下標：表明從該域中選擇某一位。域中位的標記是從最高位開始標記，并且

起始標記為0。下標可以是一個單獨的數(shù)字。如Regs[R4]0

:選擇寄存器R4中內(nèi)容的符號位。下標也可以是一個范圍。如Regs[R3]24..31

:選擇寄存器R3中內(nèi)容

的最低一個字節(jié)。(4)上標：表示復(fù)制一個域。如024可以得到一個24位全為0的一個域。2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)(5)變量Mem：表示存儲器中的一個數(shù)組，

存儲器按照字節(jié)尋址。舉例R8和R10：32位寄存器Regs[R10]16..3116(Mem[Regs[R8]]0)8##Mem[Regs[R8]]的含義。3.MIPS中的四種操作類型

(1)Load和Store操作2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)存儲器的地址是32位的，但里面存的卻是一個8位的字節(jié)指令實例指令名稱含義LWR1,30(R2)載入整型字Regs[R1]←32Mem[30+Regs[R2]]LWR1,1000(R0)載入整型字Regs[R1]←32Mem[1000+0]LBR1,40(R3)載入字節(jié)Regs[R1]←32(Mem[40+Regs[R3]]0)24##Mem[40+Regs[R3]]LBUR1,40(R3)載入無符號字節(jié)Regs[R1]←32024##Mem[40+Regs[R3]]LHR1,40(R3)載入整型半字Regs[R1]←32(Mem[40+Regs[R3]]0)16##Mem[40+Regs[R3]]##Mem[41+Regs[R3]]LFF0,50(R3)載入單精度浮點Regs[F0]←32Mem[50+Regs[R3]]LDF0,50(R2)載入雙精度浮點Regs[F0]##Regs[F1]←64Mem[50+Regs[R2]]SW500(R4),R3儲存整型字Mem[500+Regs[R4]]←32Regs[R3]SF40(R3),F0儲存單精度浮點Mem[40+Regs[R3]]←32Regs[F0]SD40(R3),F0儲存雙精度浮點Mem[40+Regs[R3]]←32Regs[F0]Mem[44+Regs[R3]]←32Regs[F1]SH502(R2),R31儲存整型半字Mem[502+Regs[R2]]←16Regs[R31]16..31SB41(R3),R2儲存整型字節(jié)Mem[41+Regs[R3]]←8Regs[R2]24..31MIPS中Load和Store指令實例(2)ALU操作

簡單的算術(shù)和邏輯運算寄存器比較指令（，，，，，）指令實例指令名稱

含義DAddUR1,R2,R3無符號加Regs[R1]←Regs[R2]+Regs[R3]DADDIUR1,R2,#3和無符號立即值相加Regs[R1]←Regs[R2]+3LUIR1,#42立即值載入高16位Regs[R1]←42##016DSLLR1,R2,#5邏輯左移的立即值形式Regs[R1]←Regs[R2]<<5DSLTR1,R2,R3設(shè)置小于if(Regs[R2]<Regs[R3])Regs[R1]←1elseRegs[R1]←0ALU指令實例

2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)(3)分支和跳轉(zhuǎn)操作

◆根據(jù)描述目標地址的方法和是否鏈接可以將

跳轉(zhuǎn)操作指令分為四種類型。 其中：兩種類型的跳轉(zhuǎn)指令用帶符號位的26位偏移量加上程序計數(shù)器的值來確定跳轉(zhuǎn)的目標地址；另外兩種類型的跳轉(zhuǎn)指令則指定一個寄

存器，由寄存器中的內(nèi)容決定跳轉(zhuǎn)的目

標地址。2.6MIPS指令集結(jié)構(gòu)◆

跳轉(zhuǎn)有兩種類型