第四章(指令系统)16

1、第4章指令系统及ALU设计主要内容 指令系统结构 操作数类型 数据在存储器中的存放方法 指令类型 指令结构 寻址方式 MIPS指令格式和通用寄存器定义 MIPS指令格式 MIPS通用寄存器 MIPS指令和ALU设计 本书CPU可执行的MIPS指令 ALU设计 一个CPU的指令系统(Instruction Set)定义该CPU“所能做的”或者“应该做的”工作。 “所能做的”意思是告诉系统软件设计者该CPU能做什么事情(软件设计者使用它)。 “应该做的”意思是告诉硬件设计者在设计CPU时应该让CPU完成的任务(硬件设计者实现它)。 它处在软件设计者与硬件设计者之间能对上话的一个“接口”。4.1 指

2、令系统结构 CPU不能直接执行高级语言和汇编语言编写的程序，必须通过编译器或汇编器将该程序转换成该计算机可执行的二进制代码。 指令系统结构ISA定义指令的格式、指令的意义、操作数的类型和指令能访问的寄存器和存储器地址。 问题：如何区分主存中某单元的内容是数据还是指令？ 一般用户无法区分。 程序员可以事先安排好。 处理器在取指令周期取出的是指令，否则取出的是数据。 处理器支持的指令集构成了该处理器的指令系统。指令系统功能越强，处理器也就功能越强。4.1.1 操作数的类型 指令的主要任务是对操作数进行计算。操作数有不同的类型及相应的长度，如下表所示。4.1.2 数据在存储器中的存放方法 主存的地址

3、是按字节编址。 一个字有4个字节，它们在存储器中的存放方法有2种： Little Endian (从小地址开始存放） Big Endian(从大地址开始存放） 如图(a) Little Endian(b)Big Endian 处理器字长一般是8b、16b、32b、64b等之一，是字节的整数倍。 设机器字长为32(4B)位，计算机的指令和数据可以是字节、半字(16位)、字(32位)、双字(64位) 。在主存中如何存取呢？ 填鸭式的存储(不要求对准边界)。只要有空字节就可以存。 要求对准边界。按信息的整数边界原则进行存储。优点是便于硬件实现。缺点是浪费了存储空间。图存储器中数据的存放(举例)(b)

4、多字节数据对准边界(a)不要求对准边界 信息的整数边界原则：指信息的地址(按字节编址，用存放信息低位的字节地址表示)必须是该信息宽度(字节数)的整数倍。 各种宽度的信息地址： 字节地址XXXX半字地址XXX0字地址XX00 双字地址X000 其中X为任意二进制数码。4.1.3 指令类型 对于不同数据类型的操作应当用不同的操作码，如整数加法和浮点加法应当使用不同的操作码，视为不同的指令。 按指令的功能分类，可分为 1、算术运算指令 整数和浮点数的加、减、乘、除等。 表征结果的特征：Z,C,V,N 2、逻辑运算 与、或、非(反)、异或等，及位操作指令，如位测试、位清除、位求反等。 3、移位操作指令

5、 按移位性质分为：算术移位(需考虑溢出)逻辑移位循环移位 按移位方向分为：左移右移， 按移位位数分为：一位多位 算术移位、逻辑移位和循环移位如下图。图5.10移位操作C0左移算术移位C右移C0左移逻辑移位C右移0C左移小循环移位C右移循环移位C左移大循环移位C右移 4、数据传送指令 实现数据传送：寄存器寄存器寄存器存储器单元存储器单元存储器单元 寄存器外设(接口) 对于存储器(寄存器)来讲，数据传送包括了对一个或一批数据的读或写操作。 数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源地址中的数据保持不变。 有些机器设置了数据交换指令。半字节交换 5、I/O访问类指令 访问I/O端口，有读写之分。

6、与存储器访问不同，向端口写入的信息可能是控制信息，而从端口中读出的可能是状态信息。 I/O指令访问只出现在具有分开的I/O空间和存储空间独立编址。 若使用单一的地址空间，其中一部分空间分给I/O，同样使用存储器访问指令来访问这部分I/O空间-存储映像的I/O空间-统一编址。 6、转移类指令 用于控制程序流的转移。 按转移性质分为 (1)无条件转移 无条件转移指令不受任何条件约束，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。 (2)条件转移指令 是根据计算机的处理结果来决定程序如何执行。它先测试条件码，然后根据所测试的条件是否满足来决定是否转移。 条件码建立与转移判断： 在转移指令中

7、先完成比较运算，然后根据比较的结果来判断转移条件是否成立，如果条件为“真”则转移，否则顺序执行下一条指令。 由转移指令之前的指令来建立条件码，转移指令根据条件码来判断是否转移。 条件码：进位C、结果为零Z、结果溢出V、结果为负N、奇偶校验P。 转移地址形成： 相对转移，即执行PC(PC)+位移量， 绝对转移，即PC目标(有效)地址。 (3)调用指令与返回指令 在编写程序过程中，常常需要编写一些经常使用的，能够独立完成某一特定功能的程序段，在需要时能随时调用，以节省存储器空间和简化程序设计。这种程序段就称为子程序、过程、函数。 使用调用指令(过程调用/系统调用/转子程序) 来实现从一个程序转移到

8、另一个程序的操作。 子程序调用与条件、无条件指令的主要区别： 子程序调用需要保存返回地址，即返回到原调用的程序继续执行子程序调用指令的下一条指令。 返回地址一般保存在堆栈中，随同保存的还有状态寄存器。 返回Return指令从堆栈中取出返回地址。 (4)陷阱(Trap)与陷阱指令 在计算机运行过程中，有时可能出现电源电压不稳、校验错、输入/输出设备出现故障、非法操作码等意外情况，使得计算机不能正常工作。因此，一旦出现故障，计算机就发出陷阱信号，并暂停当前程序的执行(称为中断)，转入故障处理程序进行相应的故障处理。 陷阱指令一般作为隐含指令不提供给用户使用，只有在出现故障时，才由CPU自动产生并执

9、行。 7、堆栈及堆栈操作指令 堆栈是由若干个连续存储单元组成的先进后出存储区，所有的数据操作都在栈顶进行。 栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据的入栈和出栈在不断变化。 可以用一个寄存器或存储器单元指出栈顶的地址，这个寄存器或存储器单元称为堆栈指针SP。 用于堆栈访问的指令u(1)压栈指令(PUSH)是把指定的操作数送入堆栈的栈顶。u(2)弹出指令(POP)是把栈顶的数据取出，送到指令所规定的目的地。 按栈的生长方向，堆栈分：u向下生长的栈从高地址向低地址扩展。u向上生长的栈从低地址向高地址扩展。 设栈为向下生长的栈(从高地址向低地址扩展)，且按字节编址，操作数为2字节。压栈指令PUSHOPD其

10、操作是(SP)-SPOPD(SP)弹栈指令POPOPD其操作是 (SP)OPD(SP)+SP 堆栈的作用 在中断、子程序调用中用于保存返回地址、状态标志及现场信息。 用于子程序调用时参数的传递。 8、特权指令(系统控制类指令) 由系统软件专用，不提供给用户使用。 用于系统资源的分配和管理，包括： 改变系统的工作方式 检测用户的访问权限 修改虚拟存储器管理的段表、页表 完成任务的创建和切换 9、其它指令 (1)向量指令 (2)多处理机指令 (3)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 当单用户情况下程序执行完毕，安排一条停机指令不再继续执行程序。 10、浮点运算类指令 浮点加

11、、减、乘、除、开方运算。 整数与单精度浮点数转换，整数与双精度浮点数转换，单精度浮点数转换与双精度浮点数转换。4.1.4 指令格式指令格式(结构结构) 计算机的指令系统影响到： 计算机硬件结构的复杂程度和运行性能 用户完成程序设计的难易程度和工作效率 必须对设计指令系统的工作给以足够的重视对指令系统的要求对指令系统的要求完备性完备性: : 指令齐全，编程方便指令齐全，编程方便高效性：占主存少，运行省时高效性：占主存少，运行省时规整性：指令与运算规则统一规整性：指令与运算规则统一兼容性：新旧机指令软件兼容兼容性：新旧机指令软件兼容 一条指令必须包含下列信息： (1)操作码。说明操作的性质及功能，

12、具有唯一性。通过识别该操作码来完成不同的操作。 (2)操作数地址。可以直接给出操作数或者指出操作数的存储器(寄存器)地址。 (3)操作结果的存储地址。 (4)下一条指令的地址。当程序顺序执行时，下一条指令的地址由程序计数器(PC)指出；仅当改变程序的执行顺序时，下条指令的地址才由指令给出。 指令格式操作码操作码 操作数地址操作数地址 操作码指本条指令执行什么操作。 地址码指明操作数的来源(源地址)与运算结果的去向(目的地址)。字长与指令长度的关系 字长是指计算机直接处理二进制数据的位数。 通常机器字长/指令长度都是字节长度的整数倍。 指令长度=f(操作码长度,操作数地址长度,操作数地址的个数)

13、 指令的长度不一定是相等的。 一条指令存放在连续的存储单元中。 地址码的长度决定了指令直接寻址的能力，若为n位，则给出的n位直接地址可寻址2n个存储单元。 扩大寻址能力的方法： (1)通过增加机器字长来增加地址码的长度； (2)采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，用基地址加位移量的方法(见寻址方式)来增加地址码的长度。 常用的指令结构的运算器结构有三种。 堆栈(Stack)结构：二个操作数总是在堆栈的栈顶。 累加器(Accumulator)结构：一个操作数总是在累加器中。 通用寄存器(General Purpose Register)结构： 寄存器存储器结构：一个操作数在存储器中，另一个

14、在存储器中。 寄存器寄存器结构：二个操作数都在寄存器中。 如下图。ALU栈顶指针CPU堆栈存储器ALUCPU累加器存储器ALUCPU寄存器堆存储器ALUCPU寄存器堆存储器(a)堆栈结构(b)累加器结构(c)寄存器-存储器结构(d)寄存器-寄存器结构操作码 若某机器的操作码长度为K位，则它最多只能有2K条不同的指令。 指令操作码的编码格式： (1)固定格式，即操作码的长度固定，且集中放在指令字的一个字段(若干连续位)中。 例如操作码长度为8位，则最多可有28=256条指令。 优点：简化硬件设计，减少指令译码时间，在大中型机和超级小型机及RISC上广泛采用。 (2)可变格式，即操作码的长度可变，

15、且分散地放在指令字的不同字段中。 优点：能够有效地压缩程序中操作码的平均长度，节省存储器空间，缩短了经常使用的指令的译码时间。在微型机上广泛使用。 缺点：增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化，需要更多的硬件来支持。 指令可变格式的做法 在指令字中用一个固定长度的字段来表示基本操作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令，把操作码扩充到该地址字段。 例如设某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码字段和三个4位地址字段，其格式如下： 如果需要61条指令，其中三地址指令15条，两地址指令15条，一地址指令15条，零地址指令16条，应如何安排操作码？15 12 11 8 7 4 3 0 方

16、法之一如下：(1)15条三地址指令 0001 1111 0000(扩展到A1)(2)15条二地址指令 0000 0001 0000 1111 0000 0000 (操作码扩展到A2)(3)15条一地址指令 0000 0000 0001 0000 0000 1111 0000 0000 0000 (操作码扩展到A3)(4)16条零地址指令0000 0000 0000 0000 0000 0000 000 01111 扩展操作码的原则: 使用频率(指指令在程序中的出现概率)高的指令应分配短的操作码；反之分配较长的操作码。 应考虑操作硬件实现复杂。表 指令出现概率与操作码长度的选择操作码平均长度=(

17、0.45+0.28+0.17)*2+(0.05+0.03+0.01+0.01)*4 =2.2二、地址码 按地址的个数分类 1、零地址指令 格式： 使用场合： 无需任何操作数。如空操作指令、停机指令等。 所需的操作数是默认的。如堆栈结构计算机的运算指令，所需的操作数默认在堆栈中，由堆栈指针SP指出，操作结果仍然放回堆栈中(?)。操作码 2、一地址指令 格式： 使用场合： 加1，减1，移位等单操作数操作。 功能：OP(A)A操作数、存储器地址或寄存器地址 进行双操作数的算术逻辑运算时，第一个源操作数由地址码A给出，第二个源操作数在一个默认的寄存器AC(累加器)中，运算结果仍送回到寄存器AC中。 功

18、能 (AC)OP(A)AC 3、二地址指令 格式： A1第一个源操作数的存储器(寄存器)地址 A2第二个源操作数和存放操作结果的存储器(寄存器)地址 功能： (A1)OP(A2)A2 说明：对两个源操作数进行操作码所规定的操作后，将结果存入目的地址。 4、三地址指令 格式： A1第一个源操作数的存储器(寄存器)地址 A2第二个源操作数的存储器(寄存器)地址 A3操作结果的存储器(寄存器)地址 功能：(A1)OP(A2)A3 对A1，A2指出的两个源操作数进行操作码所指定的操作，结果存入A3中。 5、多地址指令 在某些机器中设置一些功能很强的用于处理成批数据的指令，如：字符串处理指令向量，矩阵运

19、算指令 1、RR型指令 格式： 例如某机有200种操作，16个寄存器，每个寄存器均可寄存源操作数和目的操作数，主存空间为1M 。问R-R型指令长度是多少？ 解因128200256，所以OP为8位；16=24，所以寄存器的地址为4位该指令的长度=8+4*2=16位按操作数所在位置分(以二地址为例)： 2、RM(MR)型指令 格式 例如某机有200种操作，16个寄存器，每个寄存器均可寄存源操作数和目的操作数，主存空间为1M。问M-R型指令的长度是多少？ 解因128200256，OP为8位；16=24，所以寄存器的地址为4位1M=220，所以存储器的地址为20位该指令的长度=8+4+20=32位 3

20、、MM型指令 格式 例如某机有200种操作，16个寄存器，每个寄存器均可寄存源操作数和目的操作数,主存空间为1M。请问M-M型指令的长度是多少？ 解因128200256，所以OP为8位；1M=220，所以存储器的地址为20位该指令的长度=8+2*20=48位MM型指令 结论： 采用RR型指令长度短，MM型指令最长。 RR型指令执行时间短，MM型指令执行时间长。 R的个数少，M的个数多。4.1.5 寻址方式 寻址方式是指确定本条指令的数据地址及下一条要执行的指令地址的方法。 通常在指令中为每一个操作数专设一个地址字段，用来表示数据的来源或去向的地址。 形式地址A是指指令的地址码部分给出的地址。

21、有效地址E是指形式地址按某种规则经过计算后得到的能访问到真正操作数的地址。在指令的操作数地址字段，可能要指出： 运算器中的通用寄存器名称(编号) 输入/输出指令中用到的 I/O 设备的入出端口地址 主存储器的一个存储单元(或一 I/O设备)的地址 由于有多种 寻址方式 ，指令中需要有一个字段M用以指明本指令的寻址方式，如寻址方式有8种，M字段需要3位。 基本寻址如下:在指令的地址码字段直接给出所需的操作数(或指令)在存储器中的地址。则 A为操作数在存储器中的地址。 或转移指令等用到的指令地址。1 1、直接寻址、直接寻址 例：M=000b，A=0 x5718 ，可用作下一条指令的地址；也可用作操

22、作数的地址，操作数=(0 x5718)=3 add r3,r1,0 x5718;r3-r1+Memory0 x57180 x571832、寄存器直接寻址、寄存器直接寻址指令地址码字段给出的是某一通用寄存器编号(地址)，且所需的操作数就在这一寄存器中，这就是寄存器直接寻址。例：设M=001b，RegNo.=2， 使用 2# 寄存器， 2# 寄存器中的内容为 7， 可记为 (r2)=7。 若为寄存器直接寻址方式，操作数=7。 add r3,r1,r2; r3-r1+r2; 在计算机中设置一个专用的基址寄存器BS，操作数(或指令)的地址通过基址寄存器的内容和指令中的地址码相加得到。3 3、基址寻址、

23、基址寻址 例：设M=010b，A=0 x18， (BS)= 0 x5700。则操作数地址=(BS)+A=0 x5718 主要用于为程序或数据分配存储区，对多道程序或浮动程序很有用，解决了程序在存储器中的定位和扩大寻址空间等问题。0 x57183操作数的地址由指定的变址寄存器（由X指定）的内容和指令中的地址码（A）相加得到。4 4、变址寻址、变址寻址( (偏移量充分寻址偏移量充分寻址) )例：设M=011b，A=0 x18，X= 2，(R2)=0 x5700则操作数地址=(X)+A= 0 x5718add r3,r1,0 x18(r2);r3-r1+Memoryr2+0 x180 x57183s

24、tart设数组A的首地址为ADDR 变址器R10，积R01计数器R2100 R0(R0)*(R1) + ADDR)R2(R2)-1(R2)=0?R1(R1)+1输出R0endYN便于用循环对数组元素进行处理。例：数组A100个元素相乘的程序(使用二地址指令)。 操作数(或指令)的地址由程序计数器 PC 的内容(即当前执行指令的地址)和指令的地址码相加得到。5 5、相对寻址、相对寻址 例：设M=100b，A=0 x48 (PC)=0 x5600 则有效地址=(PC)+A=0 x56481)主要用于转移指令，对浮动程序很有用。2)位移量可正可负，通常用补码表示。 指令的地址码字段给出的内容既不是操

25、作数，也不是操作数的地址，而是操作数(或指令)地址的地址，这被称为间接寻址方式，多次读主存储器的操作。设M=101b。6 6、间接寻址、间接寻址 间接寻址可以支持循环和数组操作。例：将数组A100中的数据复制到数组B100中。start设数组A的首地址为ADDR1 设数组B的首地址为ADDR2设存储单元L1存放数组A的地址设存储单元L2存放数组B的地址L1ADDR1，L2 ADDR2计数器R2100 R0( (L1) )（L2）(R0)R2(R2)-1(R2)=0?L1(L1)+1L2(L2)+1endNY7 7、立即数寻址、立即数寻址 所需的一个操作数在指令的地址字段部分直接给出。设M=11

26、0b。则 A 即为操作数的值。例如：add r1,r1,-1;r1-r1-1 适用于操作数固定的情况，提高了指令的执行速度，当该立即数的值限定为较小值(占用位数少)时，可在第一个指令字中直接给出，否则可在第二个指令字中给出。8 8、堆栈寻址、堆栈寻址 堆栈是主存储器中一块按 “后进先出” 原则进行读写的存储区，并通过一个专用的寄存器（称为堆栈指针SP）给出堆栈的栈顶（和次栈顶）地址完成数据的读写操作。通常在读写操作的前后伴随有计算机自动（不是用户通过指令）修改 SP 内容的动作，以确保按正确的 “后进先出” 原则读写堆栈区。例如：（SP）- 1 SP和 AR，即SP的内容减 1 存回 SP，并

27、送主存地址寄存器，接下来才可以把数据写到堆栈中。完成一次读堆栈操作后，要接着执行（SP）+ 1 SP 的一次自动修改 SP 内容的操作。需要注意的是，指令长度可能是一个字，也可能是两个字或多个字，要看操作数地址字段的位数要求，由具体的情况决定。9、寄存器间接寻址 若该寄存器中存放的是操作数在主存储器中所在单元的地址，这就是寄存器间接寻址。设M=111b。将间接寻址例中的L1和L2改成通用寄存器即为寄存器间接寻址的例子。 例如： add r3,r1,(r2); r3-r1+Memoryr2注意： 对于某一特定处理器而言，它可能只用到上述寻址方式中的一部分。 上述寻址方式可以组合起来使用。如基址寻

28、址与变址寻址组合使用。 可通过指令的操作码或另设一个字段，来区分不同的寻址方式。4.2 MIPS指令格式和通用寄存器定义 这里的MIPS是MIPS32。 4.2.1 MIPS指令格式 MIPS所有的指令均为32位。指令有3种格式，如下图所示。funcsardrtrsop5 010 615 1120 1625 2131 266位5位5位5位5位6位R类型immediatertrsop 01520 1625 2131 2616位5位5位6位I类型addressop 025 31 2626位6位J类型 说明 rs,rt为源寄存器号。 rd目的寄存器号。 sa只用于移位指令，用来指定移位的位数。 R类

29、指令的op=0。 I类指令的低16位是立即数，计算时要把它扩展到32位。 0扩展(用于无符号数运算)和符号扩展(用于符号数运算) J类指令右边的26位是字地址，用于产生跳转的目标地址。4.2.2 MIPS通用寄存器 rs,rt,rd每个都有5位，所以它们一共能访问25=32个寄存器。 P120表4.3列出了32个寄存器的名称和它们的用途。 注意： 0号寄存器的内容永远为0。 31号寄存器用来保存返回地址。 除了以上2点，其他寄存器没有什么区别，可以同样使用。 在以后的使用中，不使用带$的寄存器名，而是直接使用r+寄存器号。4.3 MIPS指令和ALU设计 4.3.1 本书CPU可执行的MIPS

30、指令 这里选取若干典型的MIPS指令来描述CPU逻辑电路的设计方法。 典型指令如下表所示。 MIPS汇编语言用#号作为注释部分。 下面简要介绍一下这些指令。 1、加、减、与、或、异或运算指令 add/sub/and/or/xor rd,rs,rt # rd-rs op rt 2、逻辑左移、逻辑右移、算术右移指令 sll/srl/sar rd,rt,sa # rd-rt shift sa 3、16位数移入寄存器高位指令 lui rt,imm # rt-imm16 4、立即数的加法指令addi(符号扩展) addi rt,rs,imm # rt-rs+imm(符号扩展) 5、立即数的逻辑运算指令

31、andi/ori/xori rt,rs,imm #rt-rs op imm(0扩展) 6、读(取)存储字指令 lw rt,offset(rs) #rt-memoryrs+offset 7、写(存)存储字指令 sw rt,offset(rs) #memoryrs+offset-rt 8、条件转移指令，如 beg rs,rt,label # if(rs=rt) PC-label bne rs,rt,label # if(rs!=rt) PC-label 9、无条件转移指令 j target #PC-target 10 转子(程序)指令 jal target #r31-PC+8;PC-target 11 子程序返回指令 jr rs #PC-rs4.3.2 ALU设计 综合P121表中的指令，ALU需要实现以下运算： 算术运算-加add、减sub 逻辑运算-与and、或or、异或xor 移位运算-逻辑左移sll、逻辑右移srl、算术右移sra 置高位立即数lui 共有9个运算，ALU的操作控制信号(码)需要4位，逻辑电路图如下。a b ssub 01010123sa d right sharith s za31:0b31:0aluc3:0aluc2r31:0aluc2al