《计算机系统结构》电子教案(课2)

单击此处编辑母版标题样式,计算机系统结构,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第2章 指令系统的设计,本章主要内容,(1)指令操作码的优化（不讲）,(2),RISC,技术简介,(3),MIPS,指令集,(4),MIPS,模拟器（补充）,1,计算机系统结构,2.4.2,RISC,技术简介（,P44）,名词：,RISCReduced Instruction Set Computing，,精简指令集计算机,(1),RISC,产生的背景：20%与80%规律,(2),RISC,设计的基本原则：,只设置最常用的简单指令，凡遇复杂操作均用多条简单指令实现；,指令长度固定，操作码与操作数长度都尽量统一；,基本指令的启动时间间隔降低到1个时钟周期；,访问主存只有,load,和,store,指令，用变址寻址；,尽量采用硬连逻辑对指令译码；,为了加快执行速度，在编译过程中对目标代码结构进行优化；,(3),RISC,性能优势的原因,采用,RISC,技术的主要动机是使各条指令的执行时序尽可能一致，,CPU,在执行时间上可以把它们安排得更紧凑，就像许多大小相近的箱子容易被堆放得更密集一样。这样机器内的各种资源可以充分利用，单位时间内能执行更多的指令，速度更快。,这方面的具体内容，在第3章讲流水线时会详细介绍。,2,计算机系统结构,2.4.2,RISC,技术的发展,20世纪,70年代初，,IBM,研究中心的,John Cocke,证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，1974年，他提出,RISC,的概念。,在,RISC,的早期研究中，加州大学伯克利分校（,UC Berkeley,）和斯坦福大学（,Stanford）,提出了许多有创见的新思想。伯克利率先在1982年完成了,RISC I,型32位芯片的设计，斯坦福大学则在,John Hennessy（,现任校长）带领下于1983年完成了第一个采用,RISC,理念的商用,MIPS,微处理器,。,1984年,Hennessy,等人创建了,MIPS,计算机公司，1998年改名为,MIPS,技术公司（美普思科技公司，,MIPS Technologies Inc），,目前是美国最著名的芯片设计公司之一。,MIPS,技术公司本身不生产微处理器，它只设计高性能工业级的32位和64位,CPU,的结构体系，并且向其它半导体公司提供使用其内核（,IP）,的授权，用于生产基于,MIPS,而又各具特色的微处理器。1999年,MIPS,技术公司发布了,MIPS32,和,MIPS64,架构标准。,MIPS,的通用微处理器主要用于构建高性能工作站、服务器和超级计算机系统，其嵌入式产品在1999年以前全球销量第一，目前也仅次于,ARM,。,3,计算机系统结构,MIPS,处理器,MIPS,的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（,Microprocessor without interlocked piped stages），,其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。,MIPS,具有强大的应用基础，能在,MIPS,上运行的操作系统，包括,Linux、WindRiver、WinCE、GNU、,和,Monta Vista,等；支持14种编译器，包括,MIPS、SDE、Green Hills、GNU,和,WindRiver,等；支持15种调试器，包括,GNU、Green Hills、WindRiver、ASHLING,和,FS2,等；支持18种仿真工具，包括,Mentor Graphics、Synopsys、CoWare,和,Candence,等。,中国科学院计算所的龙芯1和2都采用64位,MIPS,指令架构。中国龙芯已与,MIPS,公司合作，购买其指令系统授权，以便批量生产与出口。,4,计算机系统结构,2.6.1,MIPS,的寄存器（,P47）,32个64位通用寄存器（,GPRs,），,也称为整数寄存器,名称是,R0，R1，R31（,也可写为,$0,，,$,1，,$,31,）,R0,的值永远是0，可用作源寄存器，也可作为无用结果的目的寄存器；,R31,用于存放跳转并链接类指令的返回地址。,32个64位浮点数寄存器（,FPRs,）,F0，F1，F31,用来存放32个单精度浮点数（32位），也可以用来存放32个双精度浮点数（64位）。,存储单精度浮点数（32位）时，只用到,FPR,的一半，其另一半没用。,特殊功能寄存器,PC（program counter，,程序计数寄存器）,HI（,整数乘除结果高位寄存器，除法余数）,LO（,整数乘除结果低位寄存器，除法的商,）,它们可以与通用寄存器交换数据。,浮点状态寄存器：用来保存有关浮点操作结果的信息。,5,计算机系统结构,MIPS,的寄存器别名（程序员习惯用法）,MIPS,编译器支持一些专业程序员对,32,个,通用寄存器,GPR（GENERAL PURPOSE REGISTER）,约定的习惯性用法（非强制的）：,REGISTER NAMEUSAGE,$0$zero,常量0(,constant value 0),$2-$3$v0-$v1,函数调用返回值(,values for results and expression evaluation),$4-$7$a0-$a3,函数调用参数(,arguments),$8-$15$t0-$t7,暂时的(或随便用的),$16-$23$,s0-$s7,保存的(或如果用，需要,SAVE/RESTORE,的)(,saved),$24-$25$t8-$t9,暂时的(或随便用的),$26-$27$k0-$k1,由操作系统的异常或中断处理程序使用,$28$,gp,全局指针(,Global Pointer),$29$sp,堆栈指针(,Stack Pointer),$30$fp,帧指针(,Frame Pointer),(BNN：fp is stale acutally,and can be simply used as$t8),$31$ra,返回地址(,return address),6,计算机系统结构,2.6.2 MIPS,的数据表示,整数,字节（8位）半字（16位）,字（32位）双字（64位）,浮点数,单精度浮点数（32位）双精度浮点数（64位）,字节、半字或者字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们将按照64位整数的方式进行运算。,7,计算机系统结构,2.6.3 MIPS,的数据寻址方式（,P47）,立即数寻址与偏移量寻址；,立即数字段和偏移量字段都是16位的。,寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的；,16位绝对寻址是通过把,R0（,其值永远为0）作为基址寄存器来完成的；,MIPS,的存储器按字节寻址，地址为64位；,所有存储器访问必须是边界对齐的，即访问地址必须是该数据长度（字节数）的整倍数，又叫整数边界原则；,MIPS,的存储器按字节编制；,所有数据字、指令字从最高有效位开始依次标记为,bit 0、1、2,；,MIPS,处理器的存储顺序，可以设置为“小端字节表示顺序”（,Littile,-,Endian,，,低位字节放在低地址,）,或者“大端字节表示顺序”（,Big-,Endian,，,高位字节放在低地址，以便适合网络数据包内顺序,）。,在下文使用的,MIPS64,模拟器中采用“小端字节表示顺序”。,8,计算机系统结构,2.6.4,MIPS,指令格式（,P48）,MIPS32,和,MIPS64,体系结构定义了兼容的32位和64位处理机指令,使用条件编译或宏汇编指令能写出可同时在,MIPS32,和,MIPS64,上运行的程序,寻址方式编码到操作码中,所有的指令都是,32,位的,操作码占,6,位,3,种指令格式（3,种格式中，同名字段的位置固定不变）,9,计算机系统结构,2.6.4,MIPS,指令格式,I,类指令,包括所有的,load,和,store,指令，立即数指令，分支指令，寄存器跳转指令，寄存器链接跳转指令。,立即数字段为16位，用于提供立即数或偏移量。,load,指令 访存有效地址：,Regs,rs,immediate,从存储器取来的数据放入寄存器,rt,store,指令 访存有效地址：,Regs,rs,immediate,要存入存储器的数据放在寄存器,rt,中,立即数指令,Regs,rt,Regs,rs,op immediate,分支指令 转移目标地址：,Regs,rs,immediate，,rt,无用,寄存器跳转、寄存器跳转并链接 转移目标地址为,Regs,rs,10,计算机系统结构,2.6.4,MIPS,指令格式,R,类指令,包括,ALU,指令，专用寄存器读/写指令，,move,指令等。,ALU,指令,Regs,rd,Regs,rs,funct Regs,rt,funct,为具体的运算操作编码,11,计算机系统结构,2.6.4,MIPS,指令格式,J,类指令,包括跳转指令，跳转并链接指令，自陷指令，异常返回指令。,在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，它与,PC,值相加形成跳转的地址。,12,计算机系统结构,2.6.5,MIPS,的操作（,P49）,MIPS,指令可以分为四大类,load,和,store,ALU,操作,分支与跳转,浮点操作,符号的意义,x,n,y,：,从,y,传送,n,位到,x,x，yz：,把,z,传送到,x,和,y,下标：表示字段中具体的位；,对于指令和数据，按从最高位到最低位（即从左到右）的顺序依次进行编号，最高位为第0位，次高位为第1位，依此类推。,下标可以是一个数字，也可以是一个范围。,例如：,Regs,R4,0,：,寄存器,R4,的符号位,Regs,R4,56-63,：R4,的最低字节,13,计算机系统结构,2.6.5,MIPS,的操作（续,）,Mem,：,表示主存；,按字节寻址，可以传输任意个字节。,上标：用于表示对字段进行复制的次数。,例如：0,32,表示一个32位长的全0字段,符号#：用于两个字段的拼接，并且可以出现在数据传送的任何一边。,举例,：,R8、R6,是64位的寄存器，下式,Regs,R8,32-63,32,（,Mem,Regs,R6,0,）,24,#,Mem,Regs,R6,表示的意义是：以,R6,的内容作为地址访问内存，得到的字节按符号位扩展为32位后存入,R8,的低32位，,R8,的高32位（即,Regs,R80-31）,不变。,14,计算机系统结构,load,和,store,指令,指令举例,指令名称,含 义,LD R2，20(R3),装入双字,RegsR2,64,Mem20+RegsR3,LW R2，40(R3),装入字,RegsR2,64,(Mem40+RegsR3,0,),32,#Mem40+RegsR3,LB R2，30(R3),装入字节,RegsR2,64,(Mem30+RegsR3,0,),56,#Mem30+RegsR3,LBU R2，40(R3),装入无符号字节,RegsR2,64,0,56,#Mem40+RegsR3,LH R2，30(R3),装入半字,RegsR2,64,(Mem30+RegsR3,0,),48,#,Mem30+RegsR3#Mem31+RegsR3,L.S F2，60(R4),装入单精度浮点数,RegsF2,64,Mem60+RegsR4#0,32,L.D F2，40(R3),装入双精度浮点数,RegsF2,64,Mem40+RegsR3,SD R4，300(R5),保存双字,Mem300+RegsR5,64,RegsR4,SW R4,，,300(R5),保存字,Mem300+RegsR5,32,RegsR4,S.S F2,，,40(R2),保存单精度浮点数,Mem40+RegsR2,32,RegsF2,031,SH R5,，,502(R4),保存半字,Mem502+RegsR4,16,RegsR5,48.63,15,计算机系统结构,ALU,指令,寄存器寄存器