计算机指令系统(一)

数字逻耨与处理器

第8讲

计算机指令系统

清华大学电子工程系马惠敏

数字逻辑与处理器

2

关于计算机:Abigchallenge

PersonalComputer：CircuitBoard：IntegratedCircuit：

Hardware&Software/system缶16/PCBModule：

1-2Gdevices.25M-16Mdevices毋16/IC

10OKdevices

MOSFET

Schemefor

representing■«1K-1OK/Module

InformationGate：16-64devices

®2-l6/Cell

8devices

怎么去设计建造这样一个有1G=1O9个部件组成的复杂系统呢?

读写头带子•图灵机只要根据每二

X时刻读写头读到的一

个方格的信息和当前

a2m的内部状态对程序进

当前状态行查表，就可以确定

下一时刻的内部状态

和输出动作了。

•具体的程序是一个列

___________/表，也叫做规则表。

当前内部状态s输入数值i输出动作o卜.一时刻的内部状态s'

无限长纸带B1前移C

A0往纸带上写1B

C0后移A

图灵机模型

从控制器来理解计算机的通用，E•”52・

•UTM(UniversalTuringMachine)

通用图灵模型

如何用一个通用电路实现多种计算任务?

处理器指令集的任务！

数据通路和控制的实现！

什么是处理器指令集?

•处理器只是在块硅晶片上集成的超大规模的集成

电路，这颗精密的芯片为什么能够控制一个庞大

而复杂的电脑系统呢？

-归因于处理器中集成的指令集。

-所谓指令集，就是用来计算和控制计算机系统的一套

命令的集合，而每一种新型的处理器在设计时就规定

了一系列与硬件电路相配合的指令系统。

-指令集的先进与否，也关系到处理器的性能发挥，它

也是处理器性能体现的一个重要标志。

6

计算机系统

硬件/软件接口

■任何完整的计算机系统都是由硬件和软件

两部分组成

•ISA(lnstructionSetArchitecture)是计

算机硬件与底层软件之间的接口，它是程

序员为使一个二进制机器语言程序正确运

行所需要了解的属性

计算机软件

ISA

计算机硬件

机器语言

・计算机硬件的基本功能就是执行指令，指令在

冯・诺伊曼计算机中由二进制数字进行编码

•描述完成一个确定任务的指令序列称为程序

•计算机的全部二进制机器指令组成了一种可供

人与计算机进行交流的语言，称为机器语言

00100000000010000000000000000001

00100001000010000000000000000010

10101100000010000001111101000000

机器语言程序

汇编语言

■使用机器语言编写程序十分困难，于是人们发

明了用助记符表示指令的方法。助记符形式的

指令的集合组成了汇编语言

•汇编语言的助记符形式的指令必须翻译成机器

语言二进制指令才能在计算机上执行，实现这

种翻译的程序称为汇编器(assembler)

addi$s1,$0,1

addi$s1,$s1,2汇编语言源程序

sw$s158000($0)

汇编语言

程序：

Caddi$s1,$0,1

S1=1+2

addi$S15$S1,2汇编语言源程序

sw$s1,8000($0)

OO1OOOOOOOOO1OO1OOOOOOOOOOOOOOO1

00100001001010010000000000000010机器语言程序

10101100000010010001111101000000

高级语言

・汇编语言与机器语言是一一对应的，所以开发效率仍然十

分低下，于是人们发明了高级程序设计语言，如

FORTRAN>C等等

•使高级语言程序在只能运行二进制机器指令的计算机上运

行，有两种途径：

一编译一将高级语言编写的程序翻译成等价的二进制

指令序列来代替，计算机执行等价的机器语言程序

-解释以高级语言程序作为输入数据，顺序地检查

它的每一条语句，并直接执行等价的机器语言指令序

列，这种方法称为解释

计算机指令系统

•MIPS体系结构概述

-MIPS指令格式

-寻址方式

-指令：数据处理、数据传送、分支与跳转

・计算机性能评价

MIPS：Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages

无内部互锁流水级的微处理器

MIPS体系结构

对于一条汇编语言指令来说，有两个问题要解决

•要指出进行什么操作

•要指出大多数指令涉及的操作数和操作结果放在何处

,1.指令格式

2.寻址方式

I3.指令系统

13

MIPS：操作数

名称实例注释

32个寄$s0,...$s7数据的快速定位，算术运算指令

存器$t0,...$t7的操作数必须在寄存器中

230个存

存储器［1］MIPS只能使用数据传送指令访问c

储字MIPS中使用字寻址，相邻数据字

卷储器［。］

23的字地址相差4。

常数操作数怎么办?

14

MIPS体系结构概述

-通用寄存器的习惯用法和命名

寄存器编号助记符用法

0zero永远为0

1at用做汇编器的临时变量

2-3v0,vl用于过程调用时返回结果

4-7a0-a3用于过程调用时传递参数

8-15t0-t7临时寄存器，在过程调用中被调用者不需要保存与恢复

24-25t8-t9

16-23s0-s7保存寄存器。在过程调用中被调用者一旦使用这些寄存器时，必

须负责保存和恢复这些寄存器的原值

26,27kO,kl通常被中断或异常处理程序使用，用来保存一些系统参数

28gP全局指针。一些运行系统维护这个指针来更方便的存取Static和

extern变量

29sp堆栈指针

30fp帧指针

31ra返回地址

MIPS：操作数

•寄存器为什么只有32个？

-因为电信号传输距离越远，传输时间就越长,

寄存器太多将会延长时钟周期。

•存储器对齐限制：

-MIPS中字的地址必须是4的倍数

存储器：12100

810

4101

01

16

地址数据

A:这是可以配置的。一般来说我们都使

用大端模式，和网络序相同。

存储器:1501100100

1400000000

1300000000

1200000000

地址数据

17

MIPS指令与汇编

p.指令格式^l-format:用于有立即数的指令，

lw,sw,beq,bne

2.寻址方式

^J-format:无条件跳转j,并连接jal

3.指令系统关于指令格式的思考

18

MIPS指令格式

(1)R■型指令

•一条32位的MIPSR型指令按下表bit数划分为

6个字段：6+5+5+5+5+6=32bit

655556

。各段含义如下：

|opcodersrtrdshamtfunct|

操作码第1个源第2个源目标寄移位量功能码

操作数操作数存器,

(放结果)I选择字段op中操作的

某种变体

数据通路

Instruction<31:0>

A<△

1<八

20

Inst612

E::二6

Memory2153-

05V1控制二）

IYVvVV

Adrv

RSRdV

RtImm16

PCSrc

busWRwRaRb

■y~■3232-bit

32Registers

cik

E

xWrEnAdr

s

n

d

imm16eData

r

16Memory

ExtOpALUSrcO20

MIPS指令格式

(1)R-Format例子

・MIPSR型指令：

add$8,$9,$10

10进制表示：

09108032

二进制表示的话:

ooodbolo£boil@ioioEoio向Iooo配|i面o汨

X

16进制：012A4020hex

10进制：19,546,144ten

.21

MIPS指令格式

(2)I■型指令

•一条32位的MIPSI型指令按下表bit数划分

为4个字段：6+5+5+16=32bit

65516

。各段含义如下:

|opcodersrtaddress

~I~~iI

操作码第1个源目标寄地址相

操作数存器(放对基址

寄存器结果)偏移量

22

MIPS指令格式

(2)I■型指令

•I•型指令：装入/存储指令、分支指令和立即数运

算指令的格式

-数据装入：Rt=Mem[Rs+Address]

符号扩展

-数据存储：Mem[Rs+Address]=Rt.

OpRsRtAddress

6位5位5位16位

例L装入/存储指令

lw$sl,100($s2)8E510064

1100直idb】o|ik)ooi|booo碗

:hex

MIPS指令格式

(2)I■型指令

•例2：分支指令

-if(Rs<relation>Rt)goto(PC+4)+Address

OpRsRtAddress

6位5位5位16位

beq$t0,$t1,Target

-分支指令采用的寻址方式为PC相对寻址——分

支目标的地址是PC+4与指令中的偏移量之和

24

数据通路

Instruction<31:0>

A△△

<八

Inst26102

二6

E2-二-

Memory0553控制工）

VVV1

IYVYV

AdrY

RStRV

Rt<dImml6

PCSrc

busWRwRaRb

■y~■3232-bit

32Registers

cik

E

xWrEnAdr

s

n

d

imml67eData

r

16Memory

ExtOpALUSrcO25

MIPS指令格式

（2）*

例3：addi$21,$22,-50

opcode=8（具体是什么操作）

rs=22（操作数寄存器）

rt=21（目的寄存器）

immediate=-50（默认是十进制）

请把指令翻译成机器码。

26

MIPS指令格式

例3：addi$21,$22,-50

十进制指令格式:

82221-50

二进制指令格式:

00100010110101011111111111001110

十六进制表示：22D5FFCEhex

十进制表示：584,449,998ten

.27

MIPS指令格式

(3)J-Format指令(1/2)

•J型指令格式:

6bits26bits

。每部个的名字是：

|opcodetarge七address

o关键点：

“必须让opcode部分与R和I型指令一致,以便于电路理解执行

/其他字段都节省出来给跳转的目的地址用以表示很大的跳转

范围.

28

MIPS指令格式

(3)J-Format指令

•例：跳转指令的格式

000010Address

6位26位

-跳转指令采用伪直接寻址——跳转地址为指令

中的26位常数与PC中的高位拼接得到

例：j1000008002710hex

00001000000000000010011100010000

29

MIPS指令格式

(3)J-Format指令

•总之：

-新的PC={PC[31..28]5目标地址300}

•一定要明白上面的每一项是从哪里来的！

•Note:{55}表示合并

{4bits,26bits,2bits}=32bitaddress

-{1010,11111111111111111111111111,00}

=10101111111111111111111111111100

-Note:书上用II,Verilog里用{,,}

.30

?关于MIPS指令格式的思考十

•指令格式为什么要分三类呢？

-所有指令长度相同，都是32位

-要让每一条指令刚好合适，充分发挥作用

提示：和ALU及指令译码电路设计有关

31

MIPS寻址方式

「1.指令格式

「/寄存器寻址

,立即数寻址

2.寻址方式J甘4T出gm中

A/基址或偏移寻址

/PC相对寻址

V3.指令系统

/伪直接寻址

MIPS寻址方式

(1)寄存器寻址

例：MIPS算术运算指令的操作数必须从32个32位寄存器

中选取

add$tO,$sl,$s2#寄存器$tO的内容为g+h

add$tl,$s3,$s4#寄存器$”的内容为i+j

sub$sO,$t0,$tl#寄存器$sO的内容为(g+h)-(i+j)

Registeraddressing

oprsrtrd••■functRegisters

Register

MIPS寻址方式加快对常见情

(2)立即数寻址况的处理、

•以常数作为操作数，无须访问存储器就可以使用常数。

•因为常数操作数频繁出现，所以在算术指令中加入常数

字段，比从存储器中读取常数快得多。

Lw$tO,AddrConstant4($zero)#$tO=常数4

add$sp,$sp,$t0#$sp=$sp+$t0($tO==4)

addi$sp,$sp,4#$sp=$sp+4

Immediateaddressing

oprsrtImmediate

34

数据通路

Instruction<31:0>

A△△

<八

Inst26102

二6

E2-二-

Memory0553控制工）

VVV1

IYVYV

AdrY

RStRV

Rt<dImml6

PCSrc

busWRwRaRb

■y~■3232-bit

32Registers

cik

E

xWrEnAdr

s

n

d

imml6?eData

r

16Memory

ExtOpALUSrcO35

MIPS寻址方式

(2)立即数寻址

•怎样把一个32位长的常数装入寄存器$sO中?

0000000000111101b000100100000000

LoadUpperImmediate612304

Lui$SO,61#$s0=00000000001111010000000000000000

addi$sO,$s0,2340#$so=oooooooo00111101oooo1001oooooooo

拆散和重装大常数还可以这样完成：

X

ori$s5,$0,0x1000有长度限制，

Sil$S5,$S5,16#$s5=0x10000000raddj为16位,

Immediateaddressing

oprsrtImmediate

MIPS寻址方式

(3)基址或偏移寻址

口操作数在存储器中，且存储器地址是某寄存

器与指令中某常量的和。

Lw$tO58($sO)#$sO中装的是存储器中的地址

3.Baseaddressing

37

MIPS寻址方式飞

•MIPS采用存取体系结构：只有Load和Store指

令实现对内存的访问。

•机器本身只提供一种存储器寻址方式：

c(rx)立即数c+寄存器rx的值

MIPS寻址方式

(4)PC相对寻址

例：条件分支指令

bne$sO,$s1,Exit#如果$sO不等于$s1,则跳转到Ex计

MIPS寻址方式

(4)PC相对寻址

问题L为什么选PC寄存器？

因为几乎所有的条件分支指令都是跳转到附近的地址。

问题2：目的地址比当前的PC地址小怎么办？

问题3：如何处理16位无法表达的远距离分支？

插入一个无条件跳转到分支目标地址的指令，把分支

指令中的条件变反以决定是否跳过该指令。

beq$sO,$s1,L1

Bne$sO,$s1,L2jL2

L1:

215<|L2-PC|<227

L2:

MIPS寻址方式

(5)伪直接寻址

跳转地址二PC中原高4位I指令中的26位I00

j10000#跳转到PC110000

5.Pseudodirectaddressing

opAddressMemory

]

PCWord

I____t__________

问题1：PC高位限制了跳转的范围，如何跳出高4位限制的范围?

MIPS指令系统

r1.指令格式

2.寻址方式

4（1）数据处理类：算数逻辑运算

:3.指令系统（2）数据传送类：存取操作

（3）控制类：分支与跳转

42

算术运算指令

・加法

add$tO,$t1,$t2#$tO=$t1+$t2

・减法

sub$t2,$t3,$t4#$t2=$t3-$t4

-------＞注释

，寄存器以$符号开始

算术运算指令

・编译C语言的赋值语句

f=(g+h)-(i+j)

假设变量f、g、h、i、j分

addtl,g,h别分配给寄存器$50~$54

addt2ri,j临时变量t2分别分配

给寄存器$11、$t2

subfftlrt2

add$tl,$slA$s2

add$t2,$s3,$s4

sub$sOf$tlA$t2

算术运算指令

•加16位有符号立即数

addi$t2,$t3,5#$t2=$t3+5

•MIPS没有减立即数的指令，如何实现减立即

数操作？

8rsrtimm

逻辑运算指令

and$tO,$t1,$t2#$t0=$t1&$t2

or$tO,$t1,$t2#$t0=$t1|$t2

xor$tO,$t1,$t2#$t0=$t1㊉$t2

nor$tO,$t1,$t2#$t0=~($t1|$t2)

-如何实现NOT运算?

0rsrtrd0funct

逻辑运算指令

•立即数逻辑运算

andi$tO5$t151O

ori$tO5$t151O

xori$tO5$t151O

|opcodersrtimmediate|

65516

逻辑运算指令

•移位运算，移位量为立即数

逻辑左移——

sll$tO,$t1,10#$t0=$t1«10,shiftleftlogical

逻辑右移——

srl$t0,$t1,10#$t0=$t1»10,shiftrightlogical

算术右移——

sra$t0,$t1,10#$t0=$t1»10,shiftrightarithm.

0rsrtrdshamtfunct

逻辑运算指令

•移位运算，移位量在某个寄存器中

sllv$to,$t1,$t3#$to=$t1«($t3%32)

srlv$tO,$t1,$t3#$tO=$t1»($t3%32)

srav$tO,$t1,$t3#$tO=$t1»($t3%32)

0rsrtrd0funct

比较指令

•比较两个寄存器的内容，并根据比较的结果设置

第三个寄存器

sit$t15$t25$t3#if($t2<$t3)$t1=1;

#else$t1=0

situ$t15$t25$t3#无符号比较

0rsrtrd0funct

•寄存器与立即数比较

slti$t15$t2,10#与立即数比较

sltui$H,$t2J0#与无符号立即数比较

|opcodersrtimmediate

计算机指令系统

■MIPS体系结构概述

-指令格式

-寻址方式

-指令系统

•数据处理指令

•数据传送指令

•分支与跳转指令

装入/存储指令

•实现内存与寄存器之间的数据传送

Iw$t1,30($t2)#Loadword

sw$t3,500($t4)#Storeword

opcodersrtoffset

MIPS只支持基址（变址）+偏移量的内存寻址方式

存放基址的寄存器称为基址寄存器，指令中的

常量称为偏移量

栈操作

•虽然MIPS有32个通用寄存器，但是在某些

情况下(例如子程序调用)仍然需要将寄存器

的内容换出到内存中，在这种情形下，栈

是保存寄存器内容的理想场所

•MIPS有一个$sp寄存器可以用做栈指针

•将数据放入栈中称为压栈(PUSH),从栈中

取出数据称为出栈(POP)

栈操作

•例，将$51、$s2、$s3寄存器的内容压入栈

addi$sp,$sp,-12

sw$s1,8($sp)高地址高地址

sw$s2,4($sp)*-$sp

$s1的内容

sw$s3,O($sp)$s2的内容

$s3的内容*-$sp

习惯上，栈按照从高到

到低的地址顺序增长低地址低地址

■压栈前1■压栈后|

•出栈操作

lw$s1,8($sp)

Iw$s2,4($sp)

lw$s3,0($sp)高地址

addi$sp,$sp,12—$sp

低地址

出栈后

装入高位立即数

•装入高位立即数(loadupperimmediate)

lui$t1,30

00111100000rtimmediate

•例，将32位立即数0x1234abcd装入$t1寄存器

Iui$t1,0x1234

ori$t1,$t1,Oxabcd

计算机指令系统

■MIPS体系结构概述

-指令格式

-寻址方式

-指令系统

•数据处理指令

•数据传送指令

•分支与跳转指令

分支(branch)指令

beq$tO,$t15Target#如果$tO=$t1,则分支执

#行标号为Target的指令

bne$tO5$t15Target#如果$tO!=$t1,则分支执

#行标号为Target的指令

■分支指令与比较指令相结合，可以实现各种条件分支：相

等、不等、小于、小于或等于、大于、大于或等于

跳转(jump)指令

•无条件分支

jLable#无条件跳转到标号Lable处

分支指令的应用

•例

假设变量f、g、h、i、j分

unsignedinti,j;

配给寄存器$sO~$s4

■■■

lf(i<=j)

f=g+h；

else3汇编代码

f=g-h;

situ$t2,$s4,$s3

beq$t2,$zero,Else

sub$sO,$s1,$s2

jExit

Else:add$sO,$s1,$s2

Exit:・・.

分支指令的应用

•例

假设变量、对应寄存器

while(save[i]==k)ik

数组的基

i+=1;$s3^n$s5,save

址存放在$$6中

3汇编代码

Loop：sll$t15$s3,2

add$t1,$t1,$s6

Iw$tO50($t1)

bne$tO,$s5,Exit

addi$s3,$s3,1

Loop

Exit:■■■

过程调用

•MIPS的过程调用遵循如下约定:

-通过$a0~$a3四个参数寄存器传递参数

-通过$vO~$v1两个返回值寄存器传递返回值

-通过$ra寄存器保存返回地址

过程调用

子程序调用通过跳转与链接指令jal进行

jalProcedure#将返回地址保存在$ra寄存器

#中，程序跳转到过程

#Procedure处执行

子程序返回通过寄存器跳转指令jr进行

jr$ra#跳转到寄存器指定的地址

叶过程

不调用其他过程的过程

leaf_example:

addi$sp,$sp,-12

sw$t1,8($sp)

sw$tO,4($sp)

intleaf_example(intg,inth,inti,intj)

sw$sO,O($sp)

(add$tO,$aO,$a1

intf;

add$t1,$a2,$a3

f=(g+h)-(i+j);sub$sO,$tO,$t1

returnf;

add$vO,$sO,$zero

Iw$sO,O($sp)

Iw$tO,4($sp)

Iw$t1,8($sp)

addi$sp,$sp,12

jr$ra

叶过程

intleaf_example(intg,inth,inti,intj)leaf_example:

(addi$sp,$sp,-4

intf;sw------$Hr8<$sp)——

f=(g+h)-(i+j);-sw------$tGp4($sp)——

returnf;sw$sO,O($sp)

add$tO,$aO,$a1

add$t1,$a2,$a3

sub$sO,$tO,$t1

临时寄存器不必保存add$vO,$sO,$zero

Iw$sO,O($sp)

保存寄存器必须保存Iw$t0y-4($sp)

Iw$t41-8($sp)

addi$sp,$sp,4

jr$ra

嵌套过程调用

主调过程将调用后还需要使用的参数寄存器

$a0~$a3和临时寄存器$t0~$t9压栈

-被调过程将返回地址寄存器ra和在被调过程中修

改了的保存寄存器$s0-$s7压栈

嵌套过程调用

ProcA

高地址

ProcA的栈空间调用ProcB

ProcB的栈空间调用ProcC

从ProcC返回

ProcC的栈空间

从ProcB返回

栈增长方向

低地址从ProcA返回

嵌套过程调用(ref.2/3.6)

intfact(intn)

・计算n!(

if(n<1)return1;

faCtadd

$sp,$sp,-8elsereturn(n*fact(n-1));

swV

$ra,4($sp))

swV

sUi$aO,O($sp)Stack

bK$tO,$aO,1

eq

a$tO,$zero,L1OldSra

addOldSfpmain

$vO,$zero,1

.dd

$sp,$sp,8

KOldSaO

L$raOldSrafact(10)

OldSfp

addi$aO,$aO,-1OldSaO

间

difactOldSrafact(9)

3OldSfp

Iw$aO,O($sp)

lw$ra,4($sp)OldSaO

$sp,$sp,8OldSrafact(8)

admOldSfp

.$vO,$aO,$vO

K$raOldSaOStackgrows

OldSrafact(7)

OldSfp

fact:d

ad$sp,$sp,-8#调整栈指针

sw$ra,4($sp)#保存返回地址

sw/

$aO,O($sp)#保存参数n

sKi

$tO,$aO,1#判断n是否小于1

beq

$tO,$zero,L1#n>l则调至L1

add

$vO,$zero,1#否则返回1

add

#从栈中弹出两个值

-$sp,$sp,8

K$ra#返回值jal后

d

ad$aO3$aO,"1#n>l,参数变成(n-1)

Jafact#用(n-1)调用fact

lw

lw$aO,O($sp)#从上21返回，恢复参数n

adm$ra4($sp)#恢复返回地址

d5

.

K$sp,$sp,8#调整堆栈指针以弹出两个栈元素

ul$vO5$aO5$vO#返回n*fact(n-1)

$ra#返回到调用者

MIPS指令与汇编

所有的MlPS指令都是32位长

^R-format:所有其他

1.指令格式^l-format:用于有立即数的指令，

Iw,sw,beq,bne

2・寻址方式

^J-format:无条件跳转j,并连接jal

3.指令系统关于指令格式的思考

70

计算机指令系统

■MIPS体系结构概述

-MIPS指令格式

-寻址方式

-指令：数据处理、数据传送、分支与跳转

•计算机性能评价

计算机性能评价

-为什么要进行性能评价？

•性能指标：

-响应时间：CPI

一吞吐率(Throughput)

-标准(Benchmarks)

,Dieyield(给定工艺下的成本)

・功率消耗

关于性能Performance的定义

通过率

飞机哈尔滨到最大速乘客

悉尼度p*mph

6.5610

Boeing747470286,700

hoursmph

1350

another3hours132178,200

mph

•哪一个性能更好Whichhashigherperformance?

■传送一名旅客所需要的时间？

■传送400名旅客所需要的时间？

•在计算机里，处理一个任务所需要的时间被称为_

ResponseTimeurExecutionTime（响应时间或者执行时间）

・计算机中把一天或者一段时间内能完成的任务称为

通过量（吞吐量）或者带宽bandwidth

计算机性能评价：响应时间与吞吐量

•响应时间一从提交作业到完成

作业所花费的时间

＞个人用户更关心响应时间

•吞吐量——一定时间间隔内完成

的作业数

＞企业级计算机的管理人员更

关心吞吐量

对于企业级服务器以外的应用，响应

时间是评价计算机性能的主要依据！

Definitions

■性能指单位时间的某某指标〜越大越好

■如果我们主要关心responsetime,那么计算