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计算机 系统、设计、
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内容简介:
计算机科学与工程学院,Lecture 5 指令系统,指令格式指令操作码的扩展RISC的特点,2,指令系统的发展,指令:指示计算机完成特定功能的命令指令系统:一台计算机的指令格式及其所有指令的集合分立元件的计算机指令系统较简单,指令少,寻址方式简单集成电路的计算机指令多达一,二百条,寻址方式也趋于多样化为了减少软件的开发费用,希望软件兼容,出现了系列机,例如IBM 360系列,PDP-11系列,现在的微机也是如此,8086,286,386,486,Pentium. 一个系列有多种型号,各型号的组织和性能可以有很大差异,系列机解决软件兼容问题的必要条件是该系列机有共同的指令集,而且新机种的指令系统一定包含旧机种的所有指令,3,指令系统的发展,指令系统的改进是围绕着缩小指令与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的优化而进行的.例如,科学计算中需要浮点运算指令,高级语言中的IF语句,DO语句需要功能较强的条件转移指令,为了便于程序嵌套,需要CALL指令,RETURN指令,操作系统需要控制系统状态的特权指令和多道程序,多处理机系统的专用指令指令系统太复杂也会带来一些不利的因素,如设计周期长,正确性难以保证,不易维护;此外,实验证明,在复杂指令系统中,算术-逻辑运算,数据传送,转移和子程序调用等基本指令是经常使用的,其他的复杂指令的利用率很低,于是,提出了精简指令系统计算机(RISC).,4,指令格式,一条指令必须包含下列信息:操作码:操作的性质和功能操作数的地址操作结果的地址下一条指令的地址总之,指令中包含操作码和地址码,5,指令格式,地址码的设计四地址格式:(实际不用),三地址格式:(A1)OP(A2)A3, (PC)+1PC二地址格式:(A1)OP(A2)A1, (PC)+1PC 单地址格式:OP(A1)A1, (PC)+1PC零地址格式:OP,6,指令格式,零地址指令只有操作码,可能无需任何操作数,或所需的操作数是默认的一地址指令指令中只给出一个地址,既是操作数地址,又是操作结果的地址.例:加1,减1指令,移位指令.一个操作数在地址中,另一个操作数(操作结果)将在默认的累加器中.二地址指令 (微机中最常用)A1:第一个操作数的地址A2:第二个操作数和操作结果的地址三地址指令A1:第一个操作数的地址A2:第二个操作数的地址A3:操作结果的地址,7,指令格式,完成Y=(AB)(CDE),AC为累加器,8,指令格式,多地址指令用于字符串处理指令,向量,矩阵运算指令一般小型,微型计算机采用零地址,一地址,二地址指令;大型,中型计算机采用二地址,三地址,多地址指令虽然,指令和数据都以二进制形式存储,但指令的地址由程序计数器(PC)规定的,而数据的地址由指令规定的,在CPU的控制下访存绝对不会将指令和数据混淆.为了程序能重复执行,一般要避免对指令的修改.有些计算机发现修改指令,则按出错处理,9,指令操作码的扩展,等长编码简化硬件设计,减少指令译码时间IBM 370 len(OP)=8 bits,256条指令不等长编码对于一部分不需要某个地址码的指令,把它们的操作码扩充到该地址字段,这样既能充分利用指令的各个字段,又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度,使它能表示更多的指令.15/15/15扩展法8/64/512扩展法Huffman 编码法,10,15/15/15扩展法,机器字长位16位,设计一个具有15条三地址指令、15条双地址指令、15条单地址指令和16条零地址指令的指令系统。(保留一个码点),0000 XXXX XXXX XXXX1110 XXXX XXXX XXXX 1111 0000 XXXX XXXX1111 1110 XXXX XXXX 1111 1111 0000 XXXX1111 1111 1110 XXXX 1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 1111,OP A1 A2 A3,15条三地址指令,15条二地址指令,15条单地址指令,16条零地址指令,11,8/64/512扩展法,机器字长位16位,设计一个具有8条三地址指令、64条双地址指令、512条单地址指令和8192条零地址指令的指令系统。(保留一位标志位),0000 XXXX XXXX XXXX0111 XXXX XXXX XXXX 1000 0000 XXXX XXXX1011 1111 XXXX XXXX 1100 0000 0000 XXXX1101 1111 1111 XXXX 1110 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111,OP A1 A2 A3,8条三地址指令,64条二地址指令,512条单地址指令,8192条零地址指令,12,Huffman 编码法,基本思想指令使用频度的不一致性;信息量的概念定义:信息量=log2Pi (比特), Pi位信息出现的概率.指令Ii在n条指令组成的程序中的信息量为:( n*Pi*Log2Pi)m条指令组成的指令系统,在该程序中的全部信息量为:( n*Pi*Log2Pi ),i=1m系统平均信息量(熵)H=全部信息量/n= ( -Pi*Log2Pi ),(比特),13,Huffman 编码实现,对出现频度高的信息单元,用较短的位数表示,从而达到构成的指令系统的平均码长最短。即:L= (Pi*li) 其中,Pi为指令出现的概率, li为指令分配的码长。实现:按概率分布情况,构成一棵Huffman树,然后从树根沿着树枝到达信息单元(指令出现的概率点),在每个分枝上、下(或左、右)写上0和1,直到全部编码完毕;指令编码为:从树根开始,沿着树枝写出各个信息单元的全部代码。,14,指令操作码的扩展举例,某机器共有7条指令,其使用统计频度如下,求出该系统的平均信息量(最短平均码长),若采用定长编码,则系统的信息冗余量为多少?指令 使用频度 I1 0.45 I2 0.28 I3 0.17 I4 0.05 I5 0.03 I6 0.01 I7 0.01,解:H=( -Pi*Log2Pi ) (比特) =(0.45*Log100.450.28*Log100.280.17*Log100.170.05*Log100.050.03*Log100.032*0.01*Log100.01) /Log102=1.97 BITS,15,指令操作码的扩展举例,平均码长L= (Pi*li) =2*(0.45+0.28+0.17)+4*(0.05+0.03+0.01+0.01)=2.2冗余量=(2.2-1.99)/2.2*100%=9.5%,H码长L=1*0.45+2*0.28+3*0.17+4*0.05+5*0.03+2*6*0.01=1.99,16,指令操作码的扩展举例,某机器共有6条指令,其使用统计频度如下,求出该系统的平均信息量(最短平均码长),若采用定长编码,则系统的信息冗余量为多少?指令 使用频度 I1 0.32 I2 0.22 I3 0.18 I4 0.16 I5 0.08 I6 0.04,解:H=( -Pi*Log2*Pi )=2.352 BITS采用定长编码,则需要3位码长故,信息冗余=(3-2.352)/3*100% =21.6%,17,指令操作码的扩展举例,I6 0.04 I5 0.08I4 0.16I3 0.18I2 0.22 I1 0.32,1.00,0,0,0,0,1,1,1,1,1,0,编码:指令 操作码 码长 I1 01 2 I2 11 2 I3 10 2 I4 001 3 I5 0001 4 I6 0000 4,平均码长L= (Pi*li) =2.40冗余量=(2.40-2.352)/2.40*100%=2% (3-2.352)/3*100%=21.6%,18,指令长度与字长的关系,字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数字长决定了计算机的运算精度地址码长度决定了指令直接寻址能力扩大寻址能力的方法:通过增加字长来增加地址码的长度.例80386,从16位扩展到32位.采用地址扩展技术,用基地址加位移量来增加地址码的长度.例8086使用了段寄存器,寻址范围从64K扩展到1M为了便于处理字符数据和尽可能地充分利用存储空间一般机器的字长是字节长度的1,2,4,或8倍指令的长度主要取决于操作码的长度,操作数地址的长度和操作数地址的个数.由于操作码的长度,操作数地址的长度及指令格式不同,各指令的长度不是固定的.指令的长度与机器的字长没有固定的关系,指令长度可以小于或等于字长,也可以大于字长.,19,指令系统中的操作数类型,数值:计算机中的数值是受限的,程序员必须理解舍入,上溢与下溢的意义整数或定点数、浮点数、十进制数字符文本或字符串,ASCII,EBCDC地址:地址也是数据的一种形式,多数情况下,必须完成某些计算机后,才能确定主存或虚存地址,地址被看成无符号数,在相对转移指令中,地址(偏移量)看成带符号数逻辑数据将一个n位单元看成是由n个1位项组成,每项有值0或1,数据以这种方式看待时就称为逻辑数据。,20,存储器中数据的存放,目前计算机所用的数据字长一般为32位为便于硬件实现,一般要求多字节数据对准边界,如下图.当所存数据不能满足此要求时,则填充一个至多个空白字节.半字地址的最低位恒为0,字地址的最低两位恒为00,双字地址的最低三位恒为000.,地址 0 4 8121620,21,存储器中数据的存放,有的计算机不要求对准边界,但可能增加访问存储器次数例,访问指令所要求存取的数据(一个字),可能在两个存储单元中,因此需要两次访问存储器,而且还要对高低字节的位置进行调整.,地址 0 4 8,22,两种字节次序,按字节编址的双字数据的两种字节次序:(1)低字节为低地址,“小端”排序(Little Endian) DEC和Intel(2)高字节为低地址,“大端”排序(Big Endian) IBM和Motorola,23,两种字节次序举例,Struct int a; /0x1112_1314 字 int pad; / double b; /0x2122_2324_2526_2728双字 char* c; /0x3132_3334字 char d7; /A,B,C,D,E,F,G字节阵列 short e; /0x5152半字 int f; /0x6162_6364字s;,24,两种字节次序举例,25,两种字节次序的同异点,相同点每个数据项有同样地址,例如十六进制值2122232425262728的双字的地址是08在任何一个给定的多字节标量值中,小端结构的字节排序是大端结构的反序,反之亦然.端序不影响结构中的数据项次序.D数组的各个元素的地址在两种结构中是相同的.相异点字符串分类:比较整数排列的字符串时,大端机器更容易些十进制/ASCII全部打印:大端容易一致的次序:大端机器以同样的次序存储它的整数和字符串整数地址转换:大端机器转换32位整数地址到16位整数地址时,它必须完成加法,以便使用最低有效字节算术:采用小端风格完成高精度算术更容易些,不必找到最低有效字节和反向移动总之,大端机器处理字符串比较方便,小端机器处理数值比较方便,26,寻址方式,常用的寻址技术 方式 算法 优点 缺点直接 EA=A 简单 地址范围有限寄存器 EA=R 无存储器访问 地址范围有限间接 EA=(A) 大的地址范围 多重存储器访问寄存器间接 EA=(R) 大的地址范围 额外地址访问立即 操作数=A 无存储器访问 操作数大小受限堆栈 EA=栈顶 无存储器访问 应用有限偏移 EA=A+(R) 灵活 复杂偏移是指基址寻址,变址寻址,相对寻址A=指令中地址字段内容;EA:有效地址,27,寻址方式图示,28,偏移寻址,Displacement addressing:基址寄存器寻址(base-register addressing)EA=基址寄存器值+偏移量变址(indexing)EA=(R)+偏移量 R为变址寄存器R (R)1 (自动增量或自动减量)相对寻址(relative addressing)EA=PC+偏移量 (用于转移指令,可实现浮动程序,位移量可正可负,通常用补码表示.) PC为程序计数器,指令,寄存器组,存储器,29,Pentium寻址方式,30,指令类型,指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题.它不仅与计算机的硬件结构紧密相关,而且直接影响的编写操作系统和编写编译程序的难易程度,换一种说法,指令集定义了CPU应完成的功能,它对CPU的实现有显著的影响;同时,指令集也是程序员控制CPU的方式,因此设计指令集时应考虑程序员的要求。最基础的设计内容:操作清单:提供多少和什么样的操作;数据类型:对几种数据类型完成操作;指令格式:指令的位数、地址的数目等等;寄存器:能被指令访问的CPU寄存器数目及其作用;一台计算机最基本的,必不可少的指令是不多的,有相当一部分指令是为了提高程序的执行速度或便于程序员编写程序而设置的.指令系统的有效性还表现在用它所编制的程序占用的存储器空间小.,31,指令系统设计原则,指令系统设计原则完整性:作为通用计算机所应该具备的基本指令种类.有效性:指令的执行速度要快,使用的频度要高。对某些复杂,低速的指令设置要反复比较用硬件还是用软件(子程序)来实现,还是硬件提供必要的支持。规整性: 对称性:可能的话,对操作和寄存器做同等的规定。例,反减指令,反除指令。均齐性:指令与数据格式都是字节的整数倍。对操作和数据类型 做同等的规定。正交性:指令中各个不同含义字段之间,在编码时应互相独立,互不相关。例,地址的计算与操作码无关。兼容性:以前的指令集只能是当前指令集的子集总之,要从硬件(机器制造者),软件(系统程序员)和用户三方面综合考虑,兼顾速度,价格和灵活性,32,指令的分类及功能,算术逻辑运算指令进行定点数加减乘除运算,与或反逻辑运算,位测试,位清除等有Z(结果为0),N(结果为负),V(结果溢出),C(有进位或借位)等标志位.移位操作指令算术移位,逻辑移位,循环移位等浮点运算指令能进行单精度或双精度运算十进制运算指令数据处理中有十进制运算指令能避免频繁的二十,十二的数据转换字符串处理指令字符串处理指令是非数值处理指令,包括字符串传送,比较,查询,转换等指令,33,指令的分类及功能,数据传送指令寄存器之间,寄存器与存储器之间,存储器之间的数据传送数据传送指令一次可以传送一个数据,也可以传送一批数据.有些计算机还有数据交换指令,完成源操作数和目的操作数的互换,实现双向数据传送,34,指令的分类及功能,转移指令无条件转移:不受任何条件约束,直接把程序转移到指令所规定的目的地,在那里继续执行程序条件转移:先测试条件码,然后根据条件是否满足来决定是否转移8086的16种条件转移:有符号数用less than和greater than, 无符号数用below和above转移指令的转移地址一般采用相对寻址或直接寻址;相对寻址方式时称为相对转移,PCPC+位移量;直接寻址方式时称为绝对转移,PC目标地址,35,指令的分类及功能,调用指令与返回指令经常使用的能够独立完成某一特点功能的程序段,称为子程序或过程.过程要通过调用指令实现从一个程序转移到另一个程序的操作.但执行完调用子程序后要返回原调用程序,返回地址一般保留于堆栈中,再通过子程序中的返回指令来返回原调用程序.,36,指令的分类及功能,陷阱与陷阱指令陷阱实际上是一种意外事故中断,通知CPU已出现了故障,CPU将转入相应的故障处理程序.一般计算机中,陷阱指令作为隐含指令,不给用户使用;有些计算机中用户可使用陷阱指令或“访管”指令,利用它来实现系统调用和程序请求.Intel的Pentium系列的软中断指令实际上就是一种供用户使用的陷阱指令,37,指令的分类及功能,堆栈及堆栈操作指令堆栈是一组连续的存储单元组成的先进后出的存储区,栈底是固定的,栈顶随着数据的入栈和出栈在不断变化.为了表示栈顶的位置,有一个寄存器或存储单元来指出栈顶的地址,它叫堆栈指针,任何堆栈操作只能在栈顶执行堆栈结构计算机中,堆栈用来提供操作数和保存结果的主要存储区;一般的计算机中堆栈主要用来暂存中断和子程序调用时的现场数据和返回地址堆栈只有压入(PUSH)和弹出(POP)指令,Pentium为例PUSH 操作数地址 其操作是:(SP)2SP;操作数(SP)POP 操作数地址其操作是:(SP)操作数地址;(SP)+2SP堆栈用于子程序调用时参数的传递,特别是在不同语言程序之间相互调用过程中,使用堆栈来传递参数更加普遍.,38,指令的分类及功能,堆栈的实现,39,指令的分类及功能,输入输出(I/O)指令有些计算机有独立的I/O指令 格式如下 其中OP是操作码, REG是寄存器名, A是外设的寄存器地址或设备码有些计算机采用外部设备和存储器统一编址的方法,外设寄存器看成是存储器的某些单元,任何访问存储器的指令均可访问外设,因此不再专设I/O指令特权指令只能用于操作系统或其他系统软件,而不提供用户使用,多任务,多用户的计算机系统中,特权指令是必不可少的.有些多用户计算机系统中,I/O指令也作为特权指令,40,指令的分类及功能,其他指令向量指令 多处理机指令为了管理共享的公共资源和相互通信,一般设置“测试与设定”或“数据交换”指令,这些指令的最主要特点是在执行过程中不允许打断.某些指令相当于一把锁,当访问者没有将锁打开时,其他处理机不得访问被锁的数据区控制指令等待指令,停机指令,空操作指令,开中断,关中断,置条件码指令,41,指令系统的兼容性,1964年IBM 360系列机以后,各个计算机公司生产的同一系列的计算机尽管其硬件实现方法可以不同,但指令系统,数据格式,I/O系统保持相同,因而软件完全兼容(在此基础上,产生了兼容机)当研制该系列计算机的新型号或高档产品时,尽管指令系统可以有较大的扩充,但仍保留原来的全部指令,保持软件向上兼容的特点例Intel的8086微处理器系列是完全向上兼容的8086是16位的微处理器,指令由16字节组成,访存空间为1MB80286增加了存储管理和保护机构,访存空间为16MB80386是32位的微处理器,指令由110字节组成,访存空间为4GB从80286开始,Intel的微处理器可以运行在两种操作模式:实模式和保护模式.而当机器加电时,微处理器自动选择实模式,其操作犹似一台快速的8086,只能访问1MB内存,没发挥微处理器的全部功能,42,RISC和CISC,复杂指令系统计算机(CISC)VLSI技术的发展,硬件成本不断下降,软件成本不断提高,在指令系统中增加更多的指令和更复杂的指令,来提高操作系统的效率,缩小指令系统和高级语言的语义差别便于高级语言的编译,兼容性使指令系统的指令只能扩充不能减去任意一条,这些计算机称为复杂指令系统计算机(complex instruction set computer)RISC的产生对CISC进行测试表明,各种指令的使用频率相差悬殊,最常用的是一些比较简单的指令,仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频率却占80%,而较少使用的占指令总数20%的复杂指令,为了实现其功能而设计的微程序代码却占总代码的80%.复杂的指令系统增加硬件实现的复杂性,增加研制时间和成本,很难实现流水线操作,降低了速度,指令系统复杂,使芯片变大印刷板变大,都使速度变慢.,43,RISC和CISC,8086指令使用频度,8086指令分为6类:数据传送,算术运算,转移指令这三类占90%,其余三类占不到10%,44,RISC和CISC,RISC和CISC的比较,45,RISC和CISC,RISC的发展1983年以后,一些中小型公司开始推出RISC产品,由于高的性能价格比,市场占有率不断提高从技术发展的角度讲,CISC技术已很难再有突破性的进展RISC的特点RISC是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理,从而提高运算速度.计算机执行程序所需要的时间P=ICPIT;其中I是指令数,CPI是执行每条指令所需的平均周期数,T是机器周期的时间.RISC的I比CISC多20%40%,CPI值比CISC小得多,T值也小得多,46,RISC和CISC,RISC的特点优先选取使用频率最高的简单指令,以及很有用但不复杂的指令指令长度固定,指令格式种类少,寻址种类少只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器之间进行通用寄存器数量相当多,算术逻辑指令操作数都在寄存器中大部分指令在一个或小于一个机器周期内完成以硬布线控制逻辑为主,不用或少用微程序控制逻辑一般用高级语言编程,特别重视编译优化工作,47,SPARC指令系统,指令类型算术运算/逻辑运算/移位指令 31条LOAD/STORE指令 22条控制转移指令 5条读/写专用寄存器指令 8条浮点运算指令格式1的OP为01协处理器指令格式2的OP为00指令格式格式3的OP为1格式1:格式2:格式3:,48,SPARC指令系统,OP,OP2,OP3为操作码,OPf为浮点指令操作码,rs1,rs为通用寄存器地址(源操作数),rd为目的寄存器,例:加法指令 ADD rs1 rs2 rdSimm为扩展符号立即数;i=0,第二操作数在rs2中,i=1,第二操作数为Simm.各类指令的功能及寻址方式算术逻辑运算指令LOAD/STORE指令控制转移类指令条件转移(Branch) 转移并连接(JMPL) 调用(CALL) 陷阱(TRAP) 从TRAP程序返回(RETT)读/写专用寄存器指令,49,SPARC指令系统,某些指令的实现技巧,R0恒为零,50,Pentium指令系统,程序员能见到的寄存器4个32位数据寄存器, EAX,EBX,ECX,EDX.其低16位称为AX,BX,CX,和DX,低16位还可分为两个8位,例如AX的低8位为AL,高8位为AH等5个32位寄存器是指针或变址寄存器,堆栈指针ESP,基指针EBP,源变址寄存器ESI,目的变址寄存器EDI,指令指针EIP.AX用于乘/除法或I/O端口;CX循环操作中作为指针,CL作为移位操作的计数器;DX用于乘/除法操作,访问I/O的指针;SI和DI在字符串操作中作为指针6个段寄存器,CS用于取指令,DS常被默认用于读/写数据,SS用于堆栈操作,ES可供程序员任意使用,FS和GS是80386开始增加的,可供任意使用.,51,Pentium指令系统前缀,指令由0到4个可选指令前缀,1或2字节的操作码、1个由Mod r/m字节和scale Index(比例变址)字节组成的可选的地址指定器、1个可选的偏移量和1个可选的立即数字段组成。注:操作码字段为必选,其余全为可选。指令前缀:REP,REPE ,REPZ, REPNE, REPNZ段取代:显式地指定这条指令应使用哪个段寄存器操作数大小前缀/地址大小前缀:16位地址/数据与32位地址/数据之间进行转换。,52,Pentium的指令格式,53,Pentium中的寻址方式,EAX EBX ECX EDX EBP ESI EDI ESP,EAX EBX ECX EDX ESP ESI EDI,54,Pentium中的寻址方式,举例 MOV EAX, EBXECX4+6 基 变址 放大因子 位移量 寄存器字段编码8位数据16位数据 32位数据 000 AL AX EAX001 CL CX ECX010 DL DX EDX011 BL BX EBX 100 AH SP ESP101 CH BP EBP110 DH SI ESI111 BH DI EDI,55,IBM大型机指令系统,RR(寄存器-寄存器)格式 R1(R1)OP(R2)RX(寄存器-变址) R1(R1)OP(M(X2)+(B2)+D2)RS(寄存器-存储器) R1(R3)OP(M(B2)+D2)SI(存储器-立即数) M(B1)+D1ImmSS(存储器-存储器) M(B1)+D1(M(B1)+D1)OP(M(B2)+D2),56,PDP-11指令格式,PDP-11是16位小型机,它有两组通用寄存器(R0R5),在任一时刻只有一组工作;三个堆栈指针(R6);一个程序计数器PC(R7).PDP-11有13种指令格式.有0地址,1地址,2地址三种指令类型,操作码长度在416位之间变化,寄存器参数长度为6位,其中3位为寻址方式, 3位为寄存器号.大多数PDP-11的指令长度为16位,有些指令增加了一个(16位)或二个(32位)存储器地址.PDP-11的指令系统和寻址能力是很复杂的,因此增加了硬件的价格和编程序的复杂性,其好处是可以开发有效而紧湊的程序.,57,PDP-11指令格式,8 8,操作码 CC,12 4,操作码 R,13 3,操作码,16,存储器地址,16,存储器地址,16,存储器地址,16,存储器地址,16,存储器地址1,16,存储器地址2,16,58,PDP-11指令格式,寻址方式M: 000 寄存器方式 001 寄存器间接010 自动增量方式 011 自动增量间接100 自动减量方式 1
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