微处理器指令集设计

第 三 讲 微 处 理 器 指 令 集 设 计 微 处 理 器 指 令 集 设 计l 垂 直 指 令 格 式l 指 令 类 型 及 其 使 用 频 度l CISC指 令 集 特 点 l RISC指 令 集 特 点l 指 令 集 设 计 的 发 展 微 处 理 器 指 令 集 设 计 的 基 本 要 求l 处 理 器 设 计 的 艺 术 就 是 定 义 一 个 指 令 集l 在 软 件 方 面 ， 支 持 对 程 序 员 有 用 的 功 能l 在 硬 件 实 现 方 面 ， 的 实 现 要 尽 可 能 有 效 率l 具 有 较 长 的 生 命 周 期 ， 最 好 是 这 个 指 令 集 还 应 使 以 后更 复 杂 的 实 现 也 有 同 样 的 效 率 正 交 指 令 格 式 l 如 果 构 造 一 条 指 令 的 每 一 种 选 择 都 独 立 于 其 他 的 选 择 ，那 么 指 令 集 就 是 正 交 的 正 交 指 令 格 式 4地 址 指 令 l 基 本 指 令 格 式 可 用 如 图 2-1所 示 的 二 进 制 格 式 表 示 。 在这 种 格 式 中 ， 每 条 指 令 需 要 4n+f位 。 其 中 每 个 操 作 数需 要 n位 ， 指 定 操 作 码 需 要 f位 。 正 交 指 令 格 式 3地 址 指 令 l 减 少 每 条 指 令 所 需 位 数 的 首 要 方 法 是 把 下 一 条 指 令 的地 址 变 为 隐 含 的 （ 除 非 是 转 移 指 令 ， 其 作 用 就 是 明 确地 修 改 指 令 的 顺 序 ） 。 若 假 定 下 一 条 指 令 的 默 认 地 址可 以 由 指 令 的 大 小 加 上 PC值 得 到 ， 则 指 令 变 为 3地 址格 式 。 这 种 指 令 的 二 进 制 表 示 如 图 2-2所 示 ： 正 交 指 令 格 式 2地 址 指 令 l 若 目 的 与 一 个 源 操 作 数 共 用 一 个 寄 存 器 ， 则 可 以 进 一步 节 省 存 储 一 条 指 令 所 需 的 位 数 。 这 种 指 令 的 二 进 制表 示 压 缩 为 如 图 2-3所 示 ： 正 交 指 令 格 式 1地 址 指 令 l 如 果 目 的 寄 存 器 是 隐 含 的 ， 则 通 常 称 之 为 累 加 器 。 指令 只 需 要 指 定 一 个 操 作 数 ， 即 ADD s1 ； accumulator := accumulator 十 s1 这 种 指 令 的 二 进 制 表 示 则 进 一 步 简 化 为 如 图 2-4所 示 正 交 指 令 格 式 0地 址 指 令 l 最 后 ， 可 以 采 用 求 值 堆 栈 式 （ evaluation stack） 的 体 系 结构 ， 从 而 使 全 部 操 作 数 为 隐 含 的 。 ADD； top_of_stack ： = top_of_stack 十 next_on_stack 这 种 指 令 的 二 进 制 表 示 如 图 25所 示 。 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 l 当 数 据 处 理 或 数 据 传 送 指 令 访 问 操 作 数 时 ， 有 几 种 标准 的 方 法 用 于 指 定 所 需 数 据 的 位 置 。 多 数 处 理 器 支 持这 些 寻 址 模 式 中 的 几 种 （ 但 是 很 少 会 支 持 所 有 模 式 ） 。 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 1 立 即 寻 址 ： 指 令 中 给 出 所 需 的 数 值 （ 二 进 制 形 式 ） 。2 绝 对 寻 址 ： 指 令 中 包 含 所 需 数 据 在 存 储 器 中 的 全 部 地址 （ 二 进 制 ） 。3 间 接 寻 址 ： 指 令 中 包 含 一 个 存 储 器 位 置 的 二 进 制 地 址 。在 该 位 置 存 有 所 需 数 据 的 二 进 制 地 址 。 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 4 寄 存 器 寻 址 ： 所 需 数 据 在 一 个 寄 存 器 中 ， 指 令 包 含 这个 寄 存 器 的 编 号 。5 寄 存 器 间 接 寻 址 ： 指 令 中 包 含 寄 存 器 的 编 号 ， 而 该 寄存 器 的 内 容 是 数 据 在 存 储 器 中 的 地 址 。6 基 址 偏 移 寻 址 ： 指 令 指 定 寄 存 器 （ 基 址 ） 和 二 进 制 偏移 量 。 偏 移 量 和 基 址 相 加 得 到 存 储 器 地 址 。 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 7 基 址 变 址 寻 址 ： 指 令 指 定 基 址 寄 存 器 和 另 外 一 个 寄 存器 （ 变 址 ） 。 变 址 和 基 址 相 加 得 到 存 储 器 地 址 。8 基 址 比 例 变 址 寻 址 ： 类 似 前 一 种 方 式 ， 但 变 址 在 与 基址 相 加 之 前 要 乘 以 一 个 常 数 （ 通 常 为 数 据 顶 的 长 度 ，通 常 是 2的 幂 ） 。 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 9堆 栈 寻 址 ： 个 隐 含 或 指 定 的 寄 存 器 （ 堆 栈 指 针 ） 指向 存 储 器 中 某 处 （ 堆 栈 ） ， 数 据 项 以 后 进 先 出 的 原 则写 入 （ 压 入 ） 或 读 出 （ 弹 出 ） 正 交 指 令 格 式 寻 址 模 式 l 对 这 些 寻 址 模 式 ， 不 同 的 处 理 器 厂 商 采 用 的 名 称 可 能有 所 不 同 。l 寻 址 模 式 几 乎 可 以 无 限 地 扩 充 。 例 如 ， 增 加 更 多 的 间接 层 次 ， 增 加 基 址 变 址 加 偏 移 等 。 l 以 上 所 列 举 的 模 式 涵 盖 了 大 多 数 通 常 使 用 的 寻 址 模 式 。 指 令 类 型一 个 通 用 的 指 令 集 应 包 括 以 下 几 类 指 令 ：（ 1） 数 据 处 理 指 令 。 例 如 加 、 减 和 乘 ；（ 2） 数 据 传 送 指 令 。 这 类 指 令 把 数 据 从 存 储 器 甲 一 个 地方 复 制 到 另 一 个 地 方 ， 或 者 从 存 储 器 复 制 到 处 理 器 的寄 存 器 等 ；（ 3） 流 控 制 指 令 。 这 类 指 令 把 程 序 的 执 行 从 一 部 分 切 换到 另 一 部 分 。 切 换 有 可 能 取 决 于 数 据 的 值 ；（ 4） 控 制 处 理 器 执 行 状 态 的 特 殊 指 令 。 例 如 ， 切 换 到 特权 模 式 以 执 行 操 作 系 统 功 能 ； 指 令 类 型（ 5） 有 时 一 条 指 令 属 于 一 个 以 上 的 类 别 。l 例 如 ， “ 减 1， 如 果 非 0则 转 移 ” 这 条 在 控 制 程 序 循 环时 是 很 有 用 的 指 令 ， 它 既 对 循 环 变 量 进 行 某 些 数 据 处理 ， 又 完 成 流 控 制 功 能 ；l 与 此 类 似 ， 从 存 储 器 某 地 址 读 取 操 作 数 并 把 结 果 送 到寄 存 器 的 数 据 处 理 指 令 ， 可 以 看 作 是 进 行 数 据 传 送 功能 。 指 令 使 用 频 度l 有 一 个 普 遍 的 误 解 ， 就 是 认 为 计 算 机 花 费 时 间 在 进 行计 算 ， 也 就 是 说 ， 它 在 对 用 户 的 数 据 进 行 算 术 操 作 。l 实 际 上 ， 它 只 用 很 少 的 时 间 进 行 这 个 意 义 上 的 “ 计算 ” 。 尽 管 它 进 行 相 当 数 量 的 算 术 运 算 ， 但 是 ， 这 些运 算 多 数 需 要 寻 址 ， 以 便 找 到 相 关 数 据 与 程 序 的 位 置 。找 到 用 户 的 数 据 后 ， 多 数 的 工 作 是 把 它 们 移 来 移 去 ，而 不 是 进 行 转 换 意 义 上 的 处 理 。 指 令 使 用 频 度l 在 指 令 集 的 级 别 上 ， 可 以 测 量 各 个 不 同 指 令 的 使 用 频率 。l 重 要 的 是 获 得 动 态 测 量 值 ， 就 是 测 量 被 执 行 的 指 令 的频 率 ， 而 不 是 由 各 类 型 二 进 制 指 令 的 计 数 得 到 的 静 态频 率 。l 一 个 典 型 的 统 计 如 表 2_1所 列 。 该 统 计 是 通 过 在 ARM指 令 仿 真 器 上 运 行 打 印 预 览 程 序 来 提 取 的 ， 对 其 他 程序 和 指 令 集 也 有 广 泛 的 典 型 意 义 。 指 令 使 用 频 度 指 令 使 用 频 度l 这 些 采 样 统 计 表 明 ， 应 予 以 优 化 的 最 重 要 的 指 令 是 与数 据 移 动 相 关 的 指 令 ， 无 论 是 在 处 理 器 寄 存 器 与 存 储器 之 间 的 移 动 ， 还 是 从 寄 存 器 到 寄 存 器 的 移 动 。 这 些指 令 几 乎 占 据 了 被 执 行 指 令 的 一 半 。l 使 用 频 率 第 二 高 的 指 令 是 控 制 流 指 令 。 例 如 ， 转 移 和进 程 调 用 ， 它 们 占 据 1/4。 l 算 术 指 令 低 至 15%， 比 较 指 令 与 之 相 似 。 CISC指 令 集 特 点 软 件 设 计 的 要 求l 程 序 员 一 般 都 希 望 以 尽 可 能 抽 象 的 万 式 表 达 他 的 程 序 ，使 用 的 高 级 语 言 应 支 持 那 些 适 合 于 解 决 问 题 的 所 要 使用 概 念 的 处 理 万 式 。l 当 前 的 趋 势 是 功 能 的 和 面 向 对 象 的 语 言 ， 与 以 前 的 命令 式 语 言 （ 例 如 C语 言 ） 相 比 ， 这 种 语 言 的 抽 象 级 别更 高 。 即 使 是 以 前 的 语 言 ， 离 通 常 的 机 器 指 令 也 已 经相 当 远 了 。 CISC指 令 集 特 点 软 件 设 计 的 要 求l 高 级 语 言 结 构 和 机 器 指 令 之 间 在 语 义 学 上 的 缝 隙 由 编译 器 来 链 接 。 编 译 器 是 （ 通 常 是 复 杂 的 ） 计 算 机 程 序 ，它 把 高 级 语 言 程 序 翻 译 成 一 系 列 机 器 指 令 。l 因 此 ， 处 理 器 的 设 计 者 所 定 义 的 指 令 集 ， 应 是 一 个 好的 编 译 对 象 ， 而 不 是 那 种 让 程 序 员 直 接 用 来 手 工 解 决问 题 的 东 西 。 CISC指 令 集 特 点 软 件 设 计 的 要 求l 1980年 以 前 ， 指 令 集 设 计 的 主 要 趋 势 是 增 加 复 杂 度 ，以 减 小 必 须 由 编 译 器 搭 接 的 语 义 学 缝 隙 。l 在 指 令 集 中 加 入 单 指 令 过 程 的 进 入 和 退 出 ， 一 条 指 令在 多 个 时 钟 周 期 内 完 成 一 个 复 杂 的 操 作 序 列 。 l 处 理 器 的 卖 点 是 其 寻 址 模 式 和 数 据 类 型 等 的 技 巧 和 数量 。 CISC指 令 集 特 点 硬 件 设 计 的 要 求l 这 种 趋 势 的 起 因 是 20世 纪 70年 代 发 展 起 来 的 小 型 计 算机 。l 这 些 计 算 机 的 主 存 储 器 速 度 相 对 较 慢 ， 与 其 相 连 的 处理 器 是 由 很 多 简 单 的 集 成 电 路 搭 接 成 的 。 处 理 器 由 比主 存 储 器 速 度 快 的 微 编 码 ROM（ 只 读 存 储 器 ） 控 制 。 l 因 此 ， 将 经 常 使 用 的 操 作 以 微 码 序 列 实 现 ， 而 不 使 用需 要 从 主 存 储 器 读 取 几 条 指 令 的 万 式 是 非 常 有 意 义 的 。操 作 以 微 码 序 列 实 现 ， 而 不 使 用 需 要 从 主 存 储 器 读 取几 条 指 令 的 万 式 是 非 常 有 意 义 的 。 CISC指 令 集 特 点 硬 件 设 计 的 要 求l 这 个 方 法 产 生 了 20世 纪 70年 代 晚 期 的 单 片 复 杂 指 令 集计 算 机 （ Complex Instruction Set Computer，CISC） 。 这 是 带 有 小 型 计 算 机 指 令 集 的 微 处 理 器 。 而这 个 指 令 集 又 是 以 有 限 的 可 用 硅 资 源 为 代 价 的 。 CISC指 令 集 特 点 硬 件 设 计 的 要 求l 这 个 方 法 产 生 了 20世 纪 70年 代 晚 期 的 单 片 复 杂 指 令 集计 算 机 （ Complex Instruction Set Computer，CISC） 。 这 是 带 有 小 型 计 算 机 指 令 集 的 微 处 理 器 。 而这 个 指 令 集 又 是 以 有 限 的 可 用 硅 资 源 为 代 价 的 。 CISC指 令 集 特 点 硬 件 设 计 的 要 求l 设 计 师 们 最 多 从 小 型 计 算 机 工 业 取 得 想 法 ， 而 小 型 计算 机 的 实 现 技 术 是 非 常 不 同 的 。 特 别 是 全 部 复 杂 例 程所 需 要 的 微 编 码 ROM占 据 了 过 多 的 芯 片 面 积 ， 给 其 他能 增 强 性 能 的 部 件 没 有 留 下 多 少 空 间 。 CISC指 令 集 特 点 硬 件 设 计 的 要 求l 贯 穿 整 个 20世 纪 70年 代 ， 微 处 理 器 的 性 能 不 断 提 高 。这 些 单 片 处 理 器 依 赖 先 进 的 半 导 体 技 术 使 得 在 单 个 芯片 上 集 成 尽 可 能 多 的 晶 体 管 ， 所 以 ， 它 的 发 展 是 发 生在 半 导 体 行 业 ， 而 不 是 在 计 算 机 行 业 。 结 果 ， 微 处 理器 的 设 计 缺 乏 在 结 构 级 上 独 创 的 思 想 ， 特 别 是 其 实 现技 术 的 需 求 。 RISC革 命 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 精 简 指 令 集 计 算 机 (Reduced Instruction Set Computer， RISC)诞 生 在 指 令 集 日 益 复 杂 的 时 候 。l RISC与 编 译 技 术 的 相 互 补 充l RISC与 后 编 译 技 术 RISC革 命 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 1980年 ， Patterson和 Ditzel完 成 了 一 篇 题 为 “ 精 简 指令 集 计 算 机 概 述 ” 的 论 文 。 在 这 篇 开 创 性 的 论 文 中 ，他 们 详 细 说 明 了 这 样 的 观 点 ， 即 单 片 处 理 器 的 优 化 结构 不 必 像 多 芯 片 处 理 器 的 优 化 结 构 一 样 。l 随 后 一 个 处 理 器 设 计 项 目 取 得 的 结 果 支 持 了 他 们 的 论点 。 这 个 项 目 是 伯 克 利 一 个 研 究 生 班 承 担 的 ， 他 们 联合 研 究 精 简 指 令 集 计 算 机 （ RISC） 体 系 结 构 。 这 项 设计 ， 即 伯 克 利 RISC I， 比 当 时 商 业 CISC处 理 器 简 单 得多 ， 开 发 中 投 入 的 设 计 力 量 也 少 一 个 数 量 级 ， 但 却 达到 了 相 似 的 性 能 。 RISC革 命 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 苹 果 的 “ 麦 金 塔 ” Macintosh RISC计 算 机 对 Intel的 冲击l 嵌 入 式 系 统 的 蓬 勃 发 展 RISC体 系 结 构 特 点 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 固 定 的 （ 32位 ） 指 令 长 度 ， 指 令 类 型 很 少 。 CISC处 理器 指 令 集 的 长 度 一 般 可 变 ， 指 令 类 型 也 很 多 ；l Load-Store结 构 ， 数 据 处 理 指 令 只 访 问 寄 存 器 ， 与 访问 存 储 器 的 指 令 是 分 开 的 。 而 CISC处 理 器 一 般 允 许 将存 储 器 中 的 数 据 作 为 数 据 处 理 指 令 的 操 作 数 ； RISC体 系 结 构 特 点 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 固 定 的 （ 32位 ） 指 令 长 度 ， 指 令 类 型 很 少 。 CISC处 理器 指 令 集 的 长 度 一 般 可 变 ， 指 令 类 型 也 很 多 ；l Load-Store结 构 ， 数 据 处 理 指 令 只 访 问 寄 存 器 ， 与 访问 存 储 器 的 指 令 是 分 开 的 。 而 CISC处 理 器 一 般 允 许 将存 储 器 中 的 数 据 作 为 数 据 处 理 指 令 的 操 作 数 ； l 由 32个 32位 寄 存 器 构 成 大 的 寄 存 器 堆 ， 具 中 所 有 的 寄存 器 都 可 以 用 于 任 何 用 途 ， 以 使 Load-Store结 构 有 效地 工 作 。 虽 然 CISC寄 存 器 集 也 加 大 了 ， 但 是 没 有 这 么大 ， 而 且 大 部 是 不 同 的 寄 存 器 用 于 不 同 的 用 途 。 RISC硬 件 组 织 特 点 针 对 硬 件 设 计 的 体 系 结 构 优 化 技 术l 硬 连 线 的 指 令 译 码 逻 辑 。 而 CISC处 理 器 使 用 大 的 微 码ROM进 行 指 令 译 码 ；l 流 水 线 执 行 。 而 CISC处 理 器 即 使 有 ， 也 只 允 许 在 连 续指 令 间 有 极 少 的 重 叠 （ 尽 管 它 们 现 在 允 许 ） ；l 单 周 期 执 行 。 而 CISC处 理 器 执 行 一 条 指 令 一 般 需 要 多个 时 钟 周 期 。 RISC的 优 点（ 1） 流 水 线 单 周 期 执 行 的 设 计 和 实 现l 流 水 线 是 在 处 理 器 中 实 现 并 行 操 作 的 最 简 单 形 式 ， 精简 指 令 集 极 大 地 简 化 了 流 水 线 的 设 计 。 RISC的 优 点（ 1） 流 水 线 单 周 期 执 行 的 设 计 和 实 现l 流 水 线 是 在 处 理 器 中 实 现 并 行 操 作 的 最 简 单 形 式 ， 精简 指 令 集 极 大 地 简 化 了 流 水 线 的 设 计 。 RISC的 优 点（ 2） 高 时 钟 频 率 RISC的 优 点（ 2） 高 时 钟 频 率 RISC的 优 点（ 3） 管 芯 面 积 小l 简 单 的 处 理 器 需 要 的 晶 体 管 少 ， 需 要 的 硅 片 面 积 也 小 。因 此 ， 整 个 CPU工 艺 技 术 发 展 的 较 早 阶 段 即 可 容 纳 在一 个 芯 片 内 。 一 旦 技 术 发 展 超 过 这 一 阶 段 ， R1SC CPU就 能 省 下 更 多 的 面 积 用 于 实 现 可 以 提 高 性 能 的 功能 部 件 ， 例 如 高 速 缓 存 、 存 储 器 管 理 和 浮 点 硬 件 等 。 RISC的 优 点（ 4） 开 发 时 间 短l 简 单 的 处 理 器 会 占 用 较 少 的 设 计 力 量 ， 因 而 设 计 费 用低 。 它 还 会 更 好 地 与 投 放 市 场 时 的 工 艺 技 术 相 适 应（ 因 为 开 发 周 期 越 短 ， 越 容 易 在 开 发 时 预 测 工 艺 技 术的 发 展 ） 。 RISC的 优 点（ 5） 性 能 高l 从 1980年 以 来 ， 所 有 新 的 通 用 处 理 器 体 系 结 构 都 或 多或 少 地 采 用 了 RISC的 概 念 。 RISC的 缺 点l RISC处 理 器 在 性 能 竞 争 中 明 显 胜 出 ， 而 且 具 有 设 计 成本 低 的 特 点 。 但 是 ， 随 着 时 间 的 推 移 ， RISC的 缺 点 开始 显 现 出 来 。（ 1） 与 CISC相 比 ， 通 常 RISC的 代 码 密 度 低 。（ 2） RISC不 能 执 行 x86代 码 。 指 令 集 设 计 的 发 展l CISC和 RISC的 融 合l 可 配 置 处 理 器 设 计l 超 长 指 令 字 VLIW(Very Long Instruction Word)体 系 结构