计算机组成原理第二章指令系统中科大 11 系李曦

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赔裕能
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1 计算机组成原理第二章指令系统中科大 11 系李曦

2 Computer Architecture & Organization

3 Instruction-Set Processor Design Architecture (ISA) programmer/compiler view functional appearance to its immediate user/system programmer Opcodes, addressing modes, architected registers, IEEE floating point Implementation (µarchitecture) processor designer view logical structure or organization that performs the architecture Pipelining, functional units, caches, physical registers Realization (chip) chip/system designer view physical structure that embodies the implementation Gates, cells, transistors, wires 机器字长 = 通用寄存器 = ALU =or 数据总线宽度

4 概要程序控制程序 = 顺序执行的指令流指令系统 : 机器指令的集合汇编语言 (Assemble Language)/ 机器语言 Instruction Set Architecture(ISA) CISC RISC VLIW 处理器 C 编译器 OS 本章的内容指令功能指令格式与编码寻址方式指令系统特征汇编程序设计 X86,MIPS llxx@ustc.edu.cn 4/41

5 计算机基本行为 : 功能与过程 Data Movement Data Storage Processing from/to storage Processing from Storage to I/O

操作分类数据传递 (data movement) 访存 :mov,load,store I/O:in,out 算逻运算 (arithmetic & logical) add,sub,and,not,or,xor,dec,inc,cmp monadic & dyadic operations 移位操作 monadic

6 操作分类数据传递 (data movement) 访存 :mov,load,store I/O:in,out 算逻运算 (arithmetic & logical) add,sub,and,not,or,xor,dec,inc,cmp monadic & dyadic operations 移位操作 monadic operations:shl,shr,srl,srr 转移控制 (tranfer of contral) comparisons & conditional branches:bnz,beq,jmp procedure call:call,ret,int,iret 系统指令 HLT,nop,wait,sti,cli,lock 晶振 R S Q 6/41 CLK

7 操作数 (opr) 操作数类型地址 : 无符号整数, 计算 offset 等数据 : 定点数 ( 有符号 / 无符号 ) 浮点数逻辑值字符 :ASCII 汉字内码存放位置主存寄存器 I/O 端口 llxx@ustc.edu.cn 7/41

8 指令字格式 Machine Instruction Layout von Neumann: 指令由操作码和地址码构成操作码 : 操作的性质地址码 : 指令和操作数 (operand) 的存储位置操作码域 (op) 地址码域 (addr) 指令字长度固定 vs. 可变固定 : 规则, 浪费空间操作码长度固定 vs. 可变固定 : 译码简单, 指令条数有限,RISC(MIPS, ARM) 可变 : 指令条数和格式按需调整,CISC(x86) 扩展操作码技术 : 调整 op 与 addr 域如果指令字长固定, 则操作码长度增加, 地址码长度缩短 llxx@ustc.edu.cn 8/41

9 地址码指定源操作数目的操作数下一条指令地址地址 : 寄存器主存 I/O 端口地址码域格式 4 地址指令 :op rs1, rs2, rd, ni 3 地址指令 :op rs1, rs2, rd; ni 在 PC 中 2 地址指令 :op rs1, rs2; rd=rs1 or ACC 1 地址指令 :op rs2; rs1=acc,rd=acc 0 地址指令 :op; 堆栈操作 llxx@ustc.edu.cn 9/41

10 寻址方式寻址方式 : 确定指令和操作数的存储地址的方式指令寻址 : 利用 PC 顺序执行 : 每执行一条指令,PC 自动 1 跳转 : 更新 PC, 转移到目的地址执行操作数寻址指令中给出形式地址有效地址 : 操作数在内存中的物理地址 EA= 寻址方式 + 形式地址操作码形式地址 llxx@ustc.edu.cn 10/41

11 操作数寻址方式常见约 10 种立即寻址 (a) 直接寻址 (b) 间接寻址 (c) 寄存器寻址 (d) 寄存器间接寻址 (e) 基址寻址 (f) 相对寻址 (f) 堆栈寻址 (g) 变址寻址 (d) 隐含寻址 11/41

12 寻址方式 (addressing mode) 立即寻址 (Immediate addressing) 地址域中即为操作数表示为 :op #xxxx 立即数的范围与指令字长有关存储于内存中的指令段直接寻址 (direct addressing) 有效地址 = 形式地址形式地址位数确定寻址范围 op xxxx 隐含寻址 (Implicitly) 操作数在缺省的寄存器或 ACC 中 llxx@ustc.edu.cn 12/41

13 300H 400H 寻址方式 (con t) 间接寻址 ( 间址寻址, Indirect ) 形式地址中给出有效地址的存储位置表示为 :op [xxxx] 寻址范围比直接寻址大可以多次间址寄存器寻址 (Register Direct) 形式地址为某寄存器名 ( 编号 ), 该寄存器中存放操作数 op %r 寄存器间接寻址 (Register Indirect) 寄存器中为操作数的地址表示为 :op [%r] 400H 0a0bH llxx@ustc.edu.cn 13/41

14 寻址方式 (con t) 基址寻址 (Base or Displacement addressing) op xxxx[br] 以基址寄存器 (BR) 为基准进行寻址 EA= 形式地址 (Disp)+BR 基址寄存器 : 专用通用显式 ( 通用寄存器 ) 隐式 ( 专用寄存器 ) 变址寻址 (index) op xxxx[ir] 以变址寄存器 ( IR ) 的值为基准寻址基址寻址 vs. 变址寻址基址 :BR 由 OS 赋值, 不变 ; 形式地址可变变址 :IR 由程序员赋值, 可变 ; 形式地址不变用途不同 : 基址段寻址, 变址数组指针 llxx@ustc.edu.cn 14/41

15 寻址方式 (con t) 相对寻址 (PC-relative addressing) EA=PC+ 形式地址 (disp) 用于转移指令的目标计算位移量 (Disp): 用补码, 可正可负堆栈寻址 : 专用于堆栈操作指令堆栈 : 可以为寄存器堆 (Register File) 或内存中的区域, 由 SP 指示栈顶位置是一种隐含寻址 llxx@ustc.edu.cn 15/41

16 stack

17 栈操作图示 17/77

18 VAX11/780 机器指令格式与编码 16 位机, 有 16 种寻址方式, 共 303 条指令 16 个寄存器, 指令字不定长 (1~54bytes) 例 : op(4 bits) 方式 (3 bits) Rn(3 bits) 方式 (3 bits) Rn(3 bits) Add R2, R4; R2+R4 -> R4, (8 进制 ) Add [R2], R1; [R2] + R1 -> R1, 寄存器寻址 Add #1000, R1; 1000+R1 -> R1 寄存器间接寻址 llxx@ustc.edu.cn 18/41

19 ISA 分类指令格式和寻址方式越复杂, 则越灵活高效硬件设计复杂度 ; 指令系统的兼容性程序员角度 : programmer/compiler view CISC: 以机器指令实现高级语言功能 RISC: 采用 load/store 体系, 运算基于寄存器 VLIW: 兼容性差, 硬件简单, 低功耗机器实现角度 : processor designer view stack Accumulator register-mem register-register llxx@ustc.edu.cn 19/41

20 ISA 分类 (Arch prospective) CISC: 硬件换性能! 以机器指令实现高级语言功能指令字长不一 (x86 从 1byte~6bytes) 寻址方式多 ALU 指令可以访存 RISC: 简化硬件, 做好高频度的事! 设置大量通用寄存器, 运算基于寄存器为了提高性能, 需要减少访存次数, 因此寄存器寻址性能最高采用 load/store 体系, 只有 load/store 指令访存指令字长固定, 格式规则, 种类少, 寻址方式简单采用 Superscalar Superpipeling 等技术, 提高 IPC VLIW: 硬件简单, 低功耗, 兼容性差 20/41

21 The CISC s eight principles: Instructions are of variable format. There are multiple instructions and addressing modes. Complex instructions take many different cycles. Any instruction can reference memory. There is a single set of registers. No instructions are pipelined. A microprogram is executed for each native instruction. Complexity is in the microprogram and hardware.

22 X86 指令格式 a. JE EIP + displacement JE Condition Displacement b. CALL 8 32 CALL Offset c. MOV EBX, [EDI + 45] MOV d w 8 8 r-m postbyte Displacement d. PUSH ESI 5 3 PUSH Reg e. ADD EAX, # ADD Reg w Immediate f. TEST EDX, # TEST w Postbyte Immediate llxx@ustc.edu.cn 22/41

23 Growth of x86 instruction set over time

24 X86 Instruction Distribution

25 Control Instruction Distribution

26 RISC 的理论基础

27 The RISC s eight principles: Fixed-format instructions. Few instructions and addressing modes. Simple instructions taking one clock cycle. LOAD/STORE architecture to reference memory. Large multiple-register sets. Highly pipelined design. Instructions executed directly by hardware. Complexity handled by the compiler and software.

28 MIPS 指令格式 100 余条指令 (Hennessy 中 33 条 ), 共 32 个通用寄存器指令格式 : 定长 32 位 R-type:arithmetic instruction I-type:data transfer J-type:branch instruction(conditional & unconditional) Simple(regularity)= Elegant!!! R-type reg-reg I-type reg-mm J-type op(6 bits) rs(5 bits) rt(5 bits) rd(5 bits) shamt(5 bits) funct(6 bits) op(6 bits) rs(5 bits) rt(5 bits) immediate(16 bits) op(6 bits) rs(5 bits) rt(5 bits) addr(16 bits) op(6 bits) rs(5 bits) rt(5 bits) addr(16 bits) op(6 bits) addr(26 bits)

29 MIPS 寻址模式立即寻址 :I-type 1. Immediate addressing op rs rt Immediate 寄存器寻址 :R-type 2. Register addressing op rs rt rd... funct Registers Register 基址寻址 :I-type 3. Base addressing op rs rt Address Memory Byte PC 相对寻址 :J-type Register + Byte Halfword Word 伪直接寻址 :J-type pseudo-direct addressing 4. PC-relative addressing op rs rt Address PC + Memory Word 26 位形式地址左移 2 位, 与 PC 的高 4 位拼接 5. Pseudodirect addressing op Address PC Memory Word llxx@ustc.edu.cn 29/41

30 RISC-V 指令格式与寻址方式基本 :R/I/S/U 寻址方式 :4 种

31 RISC-V 示例

32 CISC vs RISC Instructions are of variable format. There are multiple instructions and addressing modes. Complex instructions take many different cycles. Any instruction can reference memory. There is a single set of registers. No instructions are pipelined. A microprogram is executed for each native instruction. Complexity is in the microprogram and hardware. Fixed-format instructions. Few instructions and addressing modes. Simple instructions taking one clock cycle. LOAD/STORE architecture to reference memory. Large multiple-register sets. Highly pipelined design. Instructions executed directly by hardware. Complexity handled by the compiler and software.

33 Cortex-M3/M4 指令集

34 TMS320C64x:VLIW

35 TMS320C64x 指令字

36 ISA Classes (uarch prospective) C = A + B

37 ISA Classes (cont.)

38 Compact Code & Stack Architecture 60 s, 编译技术发挥寄存器的效率很困难, 因此某些设计者完全放弃寄存器, 而采用堆栈执行模型基于堆栈的操作可以有效的缩短指令字长, 可以减少存储和传输的开销 JAVA 虚拟机即采用堆栈模型 FORTH Stack 在处理器中? 38/41

39 Accumulator Architectures 早期硬件太昂贵, 所以使用的寄存器很少实际上只有一个用于算术指令的寄存器被称为 Accumulator, 所以这种结构被称为 Accumulator Architectures 如 EDSAC( ( 第一台存储程序计算机,1949) 采用 memory-based operand-addressing mode 进化 : 采用一些专用寄存器, 如数组指针堆栈指针乘除运算寄存器等如 x86, 称为 extended accumulator arch llxx@ustc.edu.cn 39/41

40 General-Purpose Register Architecture 通用 : 所有寄存器可以用于任何目的两类 Register-memory Arch 允许一个操作数在内存中 x86:register-memory Load-store or register-register architecture 要求所有操作数都在寄存器中 MIPS:Load-store llxx@ustc.edu.cn 40/41

41 影响早期 ISA 设计的因素内存小而慢, 能省则省某个完整系统只需几 K 字节指令长度不等执行多个操作的指令寄存器贵, 少操作基于存储器多种寻址方式编译技术尚未出现程序是以机器语言或汇编语言设计当时的看法是硬件比编译器更易设计为了便于编写程序, 计算机架构师造出越来越复杂的指令, 完成高级程序语言直接表达的功能进化中的痕迹 :X86 中的串操作指令

42 ISA: A Minimalist Perspective ISA design decisions must take into account: technology machine organization programming languages compiler technology operating systems 最小的计算机系统由哪些部件构成? 最小的 ISA 需要哪几条指令? 需要哪些寻址方式?

43 OISC:the one instruction set computer URISC 体系 :the ultimate reduced instruction set computer 一条 SBN 指令 :substract and branch if negative OISC 的优势硬件极其简单程序员有充分的控制权优化由编译器完成灵活其他指令都可由该指令构造意味着用户可自定义指令集意味着可适用于任何领域低功耗应用 : 嵌入式处理器

44 Transport triggered architecture originally called a "move machine 程序直接控制处理器内部的传输总线 uses only the MOVE instruction 计算 : 由 memory-mapped ALU 完成向功能单元的触发端口写数据将触发功能单元完成计算故曰 transport triggered 跳转 : 由 memory-mapped PC 完成适于实现 ASIP 上市产品 :MAXQ 微控制器适合数模混合应用场景

45 TTA 的典型结构

46 例 :8086 汇编语言程序 MIPS 汇编语言程序

47 外部总8086 内部结构 AH AL BH BL CH CL DH DL SP BP SI DI 通用寄存器 16 位地址加法器 CS DS SS ES IP 内部暂存器 20 位 16 位输入 / 输出控制电路 ALU 控制电路 8 位指令队列缓冲器线执行部分标志寄存器执行部件 (EU) 总线接口部件 (BIU) 47

48 8086 寄存器与堆栈 SS:0000 sp=ffee-> SS:FFFF

49 8086 标志寄存器 : 系统当前状态与控制 SS:0000 sp=ffee-> SS:FFFF

50 例 : 字符输入输出 loop: mov ah,0 ; 键盘功能调用 (int 16h) int 16h ;al 按键的 ASCII 码 mov bx,0 ; 显示功能调用 (int 10h) mov ah,0eh int 10h ; 显示 getk: mov ah,0bh ; 按任意键继续 int 21h or al,al ;al=0? jz getk ;al=0, 没有按键, 继续等待 jmp loop int 3h 1) 计算机系统结构 ;2) 汇编程序组成 ;3) 内存映像 ; 4) 控制转移 ( 顺序,jmp, 过程调用, 中断 );5) 工具

51 程序内存空间布局代码段 CS 数据段 DS 堆栈段 SS

52 X86 存储管理 : 段式

53 X86 存储管理模式 : 段式内存空间 :20 位存储模型段基址寄存器 16 位 (64K) 数据段 (ds) 代码段 (cs) 堆栈段 (ss) 扩展段 (es) 16 位基址 :16 位偏移

54 Debug: 调试器,8086 虚拟机常用命令 :a,d,e,g,r 存储模型 :CS=DS=SS=ES CS 向下生长 SS 向上生长, 空递减堆栈空栈 :sp=ffee SS:0000 sp=ffee-> SS:FFFF

55 x86 汇编语言程序设计指令 : 机器指令助记符伪指令 DW 定义字 (2 字节 ) PROC 定义过程 ENDP 过程结束 SEGMENT 定义段 ASSUME 建立段寄存器寻址 ENDS 段结束 END 程序结束系统调用 (system calls):bios,dos 显示键盘磁盘文件打印机时间

57 例 : directives : 内存地址指针 Labels : 程序地址标号 names : 段名, 变量名

58 过程调用 procedure calling 步骤 Caller 将参数放在子过程可以访问的位置 : 寄存器 / 栈 / 内存 Call 子过程 Callee 保存断点 (npc) 将控制交给子过程 : 使 PC 指向子过程入口保存现场计算, 并将结果放在 caller 可以访问的位置恢复现场子过程 Return 将控制交回调用程序 :PC = npc 控制转移指令方式一 :call/return 方式二 :jmp llxx@ustc.edu.cn 调用程序 caller ( 当前程序 ) 子程序 callee 58/41

59 单级 call/return: 链接寄存器 LR

60 Use of Stack to Implement Nested Procedures

61 x86 运行时栈的组织与使用 SP 指向 processor stack BP 辅助堆栈操作约定子程序允许使用 AX/BX/CX 返回值在 AX 或 DX:AX 中 Caller call 指令压参保存断点 : 将 npc 压栈跳转 : 子程序地址入 PC Callee: 保存所用的通用寄存器恢复所保存的通用寄存器 return 指令

62 C 调用约定 (8086): 例 int add(int a, int b)// int 为 2 字节 { /* int c; char d; */ return a+b; } 0C1C: PUSH BP 0C1C:0219 8BEC MOV BP,SP 0C1C:021B 8B4604 MOV AX,[BP+04] 0C1C:021E ADD AX,[BP+06] 0C1C:0221 EB00 JMP C1C:0223 5D POP BP 0C1C:0224 C3 RET 1. 按从右到左的顺序将参数入栈 : 先 b 后 a 2. 返回地址入栈 :2 字节 (16 位系统 ) 3. 进入被调函数 4. BP 入栈 ; 将 SP 拷贝到 BP 5. 局部变量 ( 自动变量 ) 从后到前入栈 : 先 d 后 c( 本例无!!) 6. 返回值占 2 字节则通过 AX 返回 ; 返回值占 4 字节通过 DX:AX 返回 7. 将 BP 拷贝到 SP 8. 弹出入口时保存的 BP 值到 BP 9. 返回调用者 10. 清调用时压栈的参数

63 高级语言与汇编语言接口 ABI Calling Conventions 寄存器指派参数传递返回值传递堆栈维护方式子过程前后缀代码规则需保存 / 恢复的现场出入栈顺序 c 语言标准未定义各编译器 / 处理器 /OS 不同使用 OS 的服务 APIs/syscalls

64 System calls Why Certain operations require specialized knowledge and protection( 多任务共享 ) Not every programmer knows (or wants to know) this level of detail Usually not generated by HLLs,but in assembly language functions What A special machine instruction that causes an interrupt 产生状态切换 (protection): 需保存 PSW various names: syscall, trap, svc, soft interrupt x86 系统调用 (system calls):bios,dos 显示键盘磁盘文件打印机时间

65 系统调用其中保存参数到寄存器, 赋值 EAX lib\libc.so.6 和 usr\include arch\x86\kernel\entry_32.s kernel\sys.c 用户态内核态 xyz() xyz(){ int 0x80 } IDT system_call: sys_xyz() ret_from_sys_call: iret sys_call_table sys_xyz() { } 在应用程序在 libc 标准库系统调用系统调用调用中的中的封装例程处理程序服务例程系统调用

66 System call flow of control 1. User program invokes system call. 2. Operating system code performs operation. 3. Returns control to user program.

67 APIs vs. syscalls?

68 IBM PC 的 BIOS 调用及 DOS 功能调用向显示器输出字符 ⒈ 字符的输出 ⒉ 字符串的输出从键盘输入数据 1. 字符的输入 2. 字符串的输入 3. 按键的判断磁盘输入 / 输出数据 1. 文件读 2. 文件写在内存的 0FE000H 开始的 8KB ROM 中存放着基本输入输出系统 BIOS(Basic I/O System) 21H 号中断是 DOS 提供给用户的用于调用系统功能的中断, 它有近百个功能供用户选择使用, 主要包括设备管理目录管理和文件管理三个方面的功能汇编语言程序裸机

69 例 : 字符输入输出 loop: mov ah,0 ; 键盘功能调用 (int 16h) int 16h ;al 按键的 ASCII 码 mov bx,0 ; 显示功能调用 (int 10h) mov ah,0eh int 10h ; 显示 getk: mov ah,0bh ; 按任意键继续 int 21h or al,al ;al=0? jz getk ;al=0, 没有按键, 继续等待 jmp loop int 3h Debug 命令 :a,d,e,g,r

70 MIPS 汇编示例

71 Policy of Use Conventions for registers $26..$27:?

72 stack frame: 活动记录活动记录 Q 活动记录 P

73 MIPS 过程调用 for procedure calling $a0 $a3: four argument registers in which to pass parameters $v0 $v1: two value registers in which to return values $ra: one return address register to return to the point of origin jal: jump-and-link, call jr: jump register, return

74 可执行程序生成与执行

75 High Level to Assembly High Level Lang (C, C++, Java, etc.) Statements Variables Operators Methods, functions, procedures Assembly Language Instructions Registers Memory Data Representation Number Systems

76 Program Development Process Library C File C File Asm. File Binary File Compiler Binary File Linker Exec. File Implementation Phase Assembler Binary File Debugger Profiler Verification Phase Implementation Phase editor Compilers Cross compiler Runs on one processor, but generates code for another Assemblers Linkers Verification Phase Debuggers Profilers 76/52

77 Symbol Table directives : 内存地址指针 Labels : 程序地址标号 names : 段名, 变量名

The Assembly Process Assembler translates source file to object code(common object file format, COFF) Recognizes mnemonics for OP codes Interprets addressing modes for operands Recognizes directives

78 The Assembly Process Assembler translates source file to object code(common object file format, COFF) Recognizes mnemonics for OP codes Interprets addressing modes for operands Recognizes directives that define constants and allocate space in memory for data Labels and names placed in symbol table 关键问题 :Consider forward branch to label in program Offset cannot be found without target address Let assembler make two passes over program 1 st pass: generate all machine instructions, and enter labels/addresses into symbol table Some instructions incomplete but sizes known 2 nd pass: calculate unknown branch offsets using address information in symbol table

79 The Linker Combines object files into object program Constructs map of full program in memory using length information in each object file Map determines addresses of all names Instructions referring to external names are finalized with addresses determined by map Libraries:Subroutines includes name information to aid in resolving references from calling program

80 Linking and Locating

describes its own size and attributes symbol tables,

81 ELF 格式目标文件结构 the ELF specification ELF header tell the offsets and sizes of other sections Each section then describes its own size and attributes symbol tables, string tables, relocation information, and dynamic linking information

82 Loading/Executing Object Programs Loader invoked when user types command or clicks on icon in graphical user interface Object file has information on starting location in memory and length of program Loader transfers object program from disk to memory and branches to starting address At program termination, loader recovers space in memory and awaits next command

84 ET: 程序执行时间执行代码所花费的处理器时间取决于程序的结构目标处理器执行环境分支路径循环控制参数数据存储位置 ILP Cache 中断不考虑上下文切换见 CSAPP 第九章测量程序执行时间

85 小结作业 : 2.10,2.13, 思考 ( 选一 ) CPU 的 ISA 要定义哪些内容? 见 Yale Patt 附录 A 8086 为什么要采用段式内存管理模式? Windows 系统中可执行程序的格式? 实验报告 : 基于 x86 或 MIPS 汇编, 设计一个冒泡排序程序, 并用 Debug 工具调试执行测量冒泡排序程序的执行时间

86 Bubble sort (trace)

87 87/41

Computer Architecture & Organization

计算机组成原理第二章指令系统中科大 11 系李曦 Computer Architecture & Organization Instruction-Set Processor Design Architecture (ISA) programmer/compiler view functional appearance to its immediate user/system programmer

计算机组成原理 第二章 指令系统 中科大 11 系 李曦

计算机组成原理第二章指令系统中科大 11 系李曦