L14 ISA II

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驯仟戴
4 years ago
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1 Lecture 18: Instruction Set II

2 偏移寻址方式 OP 指令中给出的地址码 A 称为形式地址 R 寄存器堆 A... + A 存储器操作数偏移寻址 :EA=A+(R) R 可以明显给出, 也可以隐含给出 R 可以为 PC 基址寄存器 B 变址寄存器 I 相对寻址 : EA=A+(PC) 相对于当前指令处当前指令处位移量为 A 的单元基址寻址 : EA=A+(B) 相对于基址 (B) 处位移量为 A 的单元变址寻址 : EA=A+(I) 相对于首址 A 处位移量为 (I) 的单元

3 偏移寻址方式相对寻址指令地址码给出一个偏移量 ( 带符号数 ), 基准地址隐含隐含由 PC 给出即 :EA=(PC)+A (ex. MIPS s instruction: Beq) 注意 : 当前 PC 的值可能是正在执行指令的地址或下条指令的地址基址寻址指令地址码给出一个偏移量, 基准地址明显或隐含明显或隐含由基址寄存器 B 给出即 :EA=(B)+A (ex. MIPS s instructions: lw / sw) 变址寻址指令地址码给出一个基准地址, 而偏移量 ( 无符号数 ) 明显或隐含由变址寄存器 I 给出即 :EA=(I)+A

4 Addressing Modes( 寻址方式的汇编表示 ) Addressing mode Example Meaning Immediate Add R4,3 R4 R4+3 Register Add R4,R3 R4 R4+R3 Register indirect Add R4,(R1) R4 R4+Mem[R1] Displacement Add R4,100(R1) R4 R4+Mem[100+R1] Indexed Add R3,(R1+R2) R3 R3+Mem[R1+R2] Direct or absolute Add R1,(1001) R1 R1+Mem[1001] Memory indirect Add R1,@(R3) R1 R1+Mem[Mem[R3]] Auto-increment Add R1,(R2)+ R1 R1+Mem[R2]; R2 R2+d Auto-decrement Add R1, (R2) R2 R2 d; R1 R1+Mem[R2] Scaled( 乘比例因子 ) Add R1,100(R2)[R3] R1 R1+Mem[100+R2+R3*d] 为简化表示, 右部的 Ri 表示寄存器 Ri 中的内容上述形式是一种示意性表示, 不同系列处理器的汇编表示形式不同!

5 Instruction Format( 指令格式 ) 操作码的编码有两种方式 - Fixed Length Opcodes ( 定长操作码法 ) - Expanding Opcodes ( 扩展操作码编法 ) instructions size 代码长度更重要时 : 采用变长指令字变长操作码变长操作码性能更重要时 : 采用定长指令字定长操作码定长操作码为什么? 变长指令字和操作码使机器代码更紧凑 ; 定长指令字和操作码便于快速访问和译码学了 CPU 设计就更明白了

6 定长操作码编码 Fixed Length Opcodes 基本思想指令的操作码部分采用固定长度的编码如 : 假设操作码固定为 6 位, 则系统最多可表示 64 种指令特点译码方便, 但有信息冗余举例 IBM360/370 采用 : 8 位定长操作码, 最多可有 256 条指令只提供了 183 条指令, 有 73 种编码为冗余信息机器字长 32 位, 按字节编址有 16 个 32 位通用寄存器, 基址器 B 和变址器 X 可用其中任意一个

7 IBM370 指令格式 RR 型 OP R1 R2 Ri: 寄存器 X: 变址器 RX 型 OP R1 X B D Bi: 基址器 RS 型 OP R1 R3 B D Di: 位移量 I: 立即数 SI 型 OP I B D L: 数的长度 SS 型 OP L B1 D1 B2 D 第 1 个半字第 2 个半字第 3 个半字 RR: 寄存器 - 寄存器 RX: 寄存器 - 变址存储器 RS: 寄存器基址存储器 SS: 基址存储器 - 基址存储器 SI: 基址存储器 - 立即数

8 扩展操作码编码 Expanding Opcodes 基本思想将操作码的编码长度分成几种固定长的格式被大多数指令集采用被大多数指令集采用 PDP-11 是典型的变长操作码机器种类等长扩展法 :4-8-12;3-6-9;... / 不等长扩展法

9 PDP-11 中典型指令格式 OP S D 存储地址存储地址 OP R D 存储地址采用专门的寻址方式字段 OP FP D 存储地址 S D:3 位指定寻址方式 ,3 位为寄存器编号 OP X R:8 个通用寄存器之一 8 8 OP D 存储地址 FR:4 个浮点寄存器之一 X: 位移 OP R 13 3 OP 16

10 Methods of Testing Condition ( 条件测试方式 ) 条件转移指令通常根据 Condition Codes ( 条件码 / 状态位 / 标志位 ) 转移通过执行算术指令或显式地由比较和测试指令来设置 ex: sub r1, r2, r3 ;r2 和 r3 相减, 结果在 r1 中, 并生成标志位 ZF CF 等 bz label ; 标志位 ZF=1 时, 转移到 label 处执行 ; 否则顺序执行常用的标志有四种 ( 哪四种?): NF(SF) - negative VF(OF) - overflow CF - carry ZF - zero 标志位可存放在标志 (Flag) 寄存器 ( 条件码 CC 寄存器 / 状态 Status 寄存器 / 程序状态字 PSW 寄存器 ) 中不同处理器对标也可由指定的通用寄存器来存放状态位志位的处理不同 Ex: cmp r1, r2, r3 ; 比较 r2 和 r3, 标志位存储在 r1 中 bgt r1, label ; 判断 r1 是否大于 0, 是则转移到 label 处可以将两条指令合成一条指令, 即 : 计算并转移 Ex: bgt r1, r2, label ; 如果 r1>r2, 则转移到 label 处执行 ; 否则顺序执行

11 指令设计风格 -- 按操作数位置指定风格来分 Accumulator: (earliest machines) 累加器型特点 : 其中一个操作数 ( 源操作数 1) 和目的操作数总在累加器中 1 address add A acc acc + mem[a] 1(+x) address add x A acc acc + mem[a + x] Stack: (e.g. HP calculator, Java virtual machines) 堆栈型特点 : 总是将栈顶两个操作数进行运算, 指令无需指定操作数地址 0 address add tos tos + next General Purpose Register: (e.g. IA-32, Motorola 68xxx) 通用寄存器型特点 : 操作数可以是寄存器或存储器数据 ( 即 A B 和 C 可以是寄存器或存储单元 ) 2 address add A B EA(A) EA(A) + EA(B) 3 address add A B C EA(A) EA(B) + EA(C) Load/Store: (e.g. SPARC, MIPS, PowerPC) 装入 / 存储型特点 : 运算操作数只能是寄存器数据, 只有 load/store 能访问存储器 3 address add Ra Rb Rc Ra Rb + Rc load Ra Rb Ra mem[rb] store Ra Rb mem[rb] Ra

12 Comparing Instructions Comparison: Bytes per instruction? Number of Instructions? Cycles per instruction? Code sequence for C = A + B for four classes of instruction sets: Stack Accumulator Register Register (register- memory) (load - store) Push A Load A Load R1,A Load R1,A Push B Add B Add R1,B Load R2,B Add Store C Store C, R1 Add R3,R1,R2 Pop C 指令条数较少 Store C,R3 复杂表达式时, 累加器型风格指令条数变多, 因为所有运算都要用累加器, 使得程序中多出许多移入 / 移出累加器的指令! 75 年开始, 寄存器型占主导地位 ( Java Virtual Machine 采用 Stack 型 ) 寄存器速度快, 使用大量通用寄存器可减少访存操作表达式编译时与顺序无关 ( 相对于 Stack)

13 Examples of Register Usage 每条典型 ALU 指令中的存储器地址个数每条典型 ALU 指令中的最多操作数个数 Examples 0 3 SPARC, MIPS, Precision Architecture, Power PC 1 2 Intel 80x86, Motorola VAX (also has 3-operand formats) 3 3 VAX (also has 2-operand formats) In VAX(CISC): In MIPS(RISC): ADDL (R9), (R10), (R11) 一条指令! ;mem[r9] mem[r10] + mem[r11] lw R1, (R10) # R1 mem[r10] lw R2, (R11) # R2 mem[r11] 四条指令! add R3, R1, R2 # R3 R1+R2 sw R3, (R9) # mem[r9] R3 哪一种风格更好呢? 学了第 6 和第 7 章后会有更深的体会!

14 指令设计风格按指令格式的复杂度来分按指令格式的复杂度来分, 有两种类型计算机 : 复杂指令集计算机 CISC (Complex Instruction Set Computer) 精简指令集计算机 RISC (Reduce Instruction Set Computer) 早期 CISC 设计风格的主要特点 (1) 指令系统复杂指令多 / 寻址方式多 / 指令格式多 (2) 指令周期长绝大多数指令需要多个时钟周期才能完成 (3) 各种指令都能访问存储器除了专门的存储器读写指令外, 运算指令也能访问存储器 (4) 采用微程序控制 (5) 有专用寄存器 (6) 难以进行编译优化来生成高效目标代码例如,VAX-11/780 小型机 16 种寻址方式 ;9 种数据格式 ;303 条指令 ; 一条指令包括 1~2 个字节的操作码和下续 N 个操作数说明符一个说明符的长度达 1 ~10 个字节

15 复杂指令集计算机 CISC CISC 的缺陷日趋庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长, 而且难以保证设计的正确性, 难以调试和维护, 并且因指令操作复杂而增加机器周期, 从而降低了系统性能降低了系统性能 1975 年 IBM 公司开始研究指令系统的合理性问题,John Cocke 提出精简指令系统计算机 RISC ( Reduce Instruction Set Computer ) 对 CISC 进行测试, 发现一个事实 : 在程序中各种指令出现的频率悬殊很大, 最常使用的是一些简单指令, 这些指令占程序的 80%, 但只占指令系统的 20% 而且在微程序控制的计算机中, 占指令总数 20% 的复杂指令占用了控制存储器容量的 80% 1982 年美国加州伯克利大学的 RISCⅠ, 斯坦福大学的 MIPS,IBM 公司的 IBM801 相继宣告完成, 这些机器被称为第一代 RISC 机

16 John Cocke & RISC We knew we wanted a computer with a simple architecture and a set of simple instructions that could be executed in a single machine cycle making the resulting machine significantly more efficient than possible with other, more complex computer designs. -John Cocke, 1987

17 Top 10 80x86 Instructions Rank instruction Integer Average Percent total executed 1 load 22% 2 conditional branch 20% 3 compare 16% 4 store 12% 5 add 8% 6 and 6% 7 sub 5% 8 move register-register 4% 9 call 1% 10 return 1% Total 96% Simple instructions dominate instruction frequency ( 简单指令占主要部分, 使用频率高!)

18 RISC 设计风格的主要特点 (1) 简化的指令系统指令少 / 寻址方式少 / 指令格式少 / 指令长度一致 (2) 以 RR 方式工作除 Load/Store 指令可访问存储器外, 其余指令都只访问寄存器 (3) 指令周期短以流水线方式工作, 因而除 Load/Store 指令外, 其他简单指令都只需一个或一个不到的时钟周期就可完成 (4) 采用大量通用寄存器, 以减少访存次数 (5) 采用组合逻辑电路控制, 不用或少用微程序控制 (6) 采用优化的编译系统, 力求有效地支持高级语言程序 MIPS 是典型的 RISC 处理器,82 年以来新的指令集大多采用 RISC 体系结构 Intel x86 因为兼容的需要, 保留了 CISC 的风格, 同时也借鉴了 RISC 思想

19 指令系统举例 : Address & Registers Intel x 8 bit bytes AX, BX, CX, DX SP, BP, SI, DI CS, SS, DS IP, Flags acc, index, count, quot stack, stack frame, string code,stack,data segment VAX 11 MC MIPS 32 2 x 8 bit bytes 16 x 32 bit GPRs 24 2 x 8 bit bytes 8 x 32 bit GPRs 7 x 32 bit addr reg 1 x 32 bit SP 1 x 32 bit PC 32 2 x 8 bit bytes 32 x 32 bit GPRs 32 x 32 bit FPRs HI, LO, PC r15-- program counter r14-- stack pointer r13-- frame pointer r12-- argument pointer HI 和 LO 是 MIPS 内部的乘商寄存器

20 ( 自学 ) 指令系统举例 :Pentium 指令格式前缀 : 包括指令段操作数长度操作数长度地址长度四种类型前缀类型 : 字节数 : 指令前缀段前缀操作数长度地址长度 0 或 1 0 或 1 0 或 1 0 或 1 指令 : 含操作码操作码寻址方式寻址方式 SIB 位移量和直接数据位移量和直接数据五部分, 位移量和立即数都可是 1/2/4B SIB 中基址 B 和变址 I 都可是 8 个 GRS 中任一个 SS 给出比例因子操作码 : opcode; w: 与机器模式 (16 / 32 位 ) 一起确定寄存器位数 (AL / AX / EAX); d: 操作方向 ; 寻址方式 : mod r/m reg/op 三个字段与 w 字段和机器模式一起确定操作数所在的寄存器编号或有效地址计算方式变长指令字 :1B~17B 变长操作码 :4b / 5b / 6b / 7b / 8b / 变长操作数 :Byte / Word / DW / QW 变长寄存器 :8 位 / 16 位 /32 位问题 : 是累加器型通用寄存器型通用寄存器型 ld/st 型? 是 CISC 型 RISC 型? 调用指令自动把返回地址压栈专门的 push/pop 指令, 自动修改栈指针 ALU 指令在 Flags 中隐含生成条件码 ALU 指令中的一个操作数可来自存储器提供基址加比例索引寻址

21 ( 自学 )Pentium 处理器的寻址方式操作数的来源 : 立即数 ( 立即寻址 ): 直接来自指令寄存器 ( 寄存器寻址 ): 来自 32 位 / 16 位 / 8 位通用寄存器存储单元 ( 其他寻址 ): 需进行地址转换虚拟地址 => 线性地址 LA ( => 内存地址 ) 分段分页指令中的信息 : (1) 段寄存器 SR( 隐含或显式给出 ) (2) 8/16/32 位偏移量 A ( 显式给出 ) (2) 基址寄存器 B ( 明显给出, 任意通用寄存器皆可 ) (3) 变址寄存器 I ( 明显给出, 除 ESP 外的任意通用寄存器皆可 ) 有比例变址和非比例变址比例变址时要乘以比例因子比例因子 S (1:8 位 / 2:16 位 / 4:32 位 / 8:64 位 )

22 ( 自学 ) Pentium 处理器寻址方式寻址方式立即 ( 地址码 A 本身为操作数 ) 寄存器 ( 通用寄存器的内容为操作数 ) 偏移量 ( 地址码 A 给出 8/16/32 位偏移量 ) 基址 ( 地址码 B 给出基址器编号 ) 基址带偏移量 ( 一维表访问 ) 比例变址带偏移量 ( 一维表访问 ) 基址带变址和偏移量 ( 二维表访问 ) 基址带比例变址和偏移量 ( 二维表访问 ) 相对 ( 给出下一指令的地址, 转移控制 ) 算法操作数 =A 操作数 = (R) LA=(SR)+A LA=(SR)+(B) LA=(SR)+(B)+A LA=(SR)+ (I)xS+A LA=(SR)+(B)+(I) +A LA=(SR)+(B)+(I)xS+A 转移地址 =(PC)+A

23 ( 自学 )Pentium 处理器的存储器寻址 SS 段寄存器基址寄存器变址寄存器线性地址空间 CS 段选择符段表项 ( 段描述符 ) + x 比例因子 1/2/4/8 偏移量 8/16/32 位基址段限存取权限段限基地址有效地址 + 线性地址需要时再对线性地址空间进行分页处理

24 ( 自学 ) 指令系统举例 : PowerPC RISC 型 ( 类似于 MIPS,32 位定长操作码定长指令字定长指令字 ), 主要不同在于 : 提供了特殊的两种变址寻址方式, 可减少指令数» 两个寄存器相加变址 ( 基址寄存器和索引寄存器 : 间接变址寻址 ) 例 :add $t0,$a0,$s3 lw &t1,0($t0) lw $t1,$a0+$s3» 自动变址 ( 变址器自动 +1) 例 : lw &t0, 4($s3) addi $s3,$s3,4 lwu $t0, 4($s3) 引入特殊的数据块指令, 可减少指令数» 单条指令可传送多达 32 个字, 并可进行存储区数据传送» 提供一个特殊计数寄存器 ctr, 自动减 1, 用于循环处理例 :for (i=n; i!=0; i=i-1) { }; Loop: addi $t0,$t0,-1 Loop: bc loop, ctr!=0 bne &t0, $zero, loop

25 ( 自学 ) MMX(Microprocessor Media Extension) 指令技术图形 / 像音 / 视频多媒体信息处理特点多个短整数并行操作 ( 如 8 位图形像素和 16 位音频信号 ) 频繁的乘 - 累加 ( 如 FIR 滤波, 矩阵运算 ) MMX 的出发点使用专门指令对大量数据进行并行复杂处理处理的数据基本单位是 8b 16b 32b 64b 等 MMX 指令集由 Intel 提出,1997 年首次用于 P54C Pentium 处理器引入新的数据类型和通用寄存器» 四种 64 位紧缩定点整数类型 (8 x 1B 4 x 1W 2 x 2W 1 x 4W)» 8 个 64 位通用寄存器 MX0~MX7( 借用 8 个 80 位浮点寄存器 ) 采用 SIMD(Single Instruction Multi Data) 技术» 单条指令同时并行处理多个数据元素例如, 一条指令完成图像中 8 个像素的并行操作引入饱和 (Situration) 运算非饱和 ( 环绕 ) 运算 : 上溢时高位数据被截去 ; 饱和运算 : 上溢时结果取最大值例如, 图像插值运算 : 若 a 点亮度 F3H,b 点亮度 1DH, 对 a 和 b 线性插值结果为 : 环绕运算 :(F3H+1DH)/2=10H/2=08H 插值点的亮度比 1DH 还低, 不合理! 饱和运算 : (F3H+1DH)/2=FFH/2=7FH 合理在 Intel 以后的处理器中又增加了 SSE SSE2 SSE3 等指令集 SSE(Streaming SIMD extensions) SIMD(Single Instrution Multi Data): 单指令多数据技术

26 小结指令由操作码和地址码两部分组成操作类型传送 / 算术 / 逻辑 / 移位 / 字符串 / 转移控制 / 调用 / 中断 / 信号同步操作数类型整数 ( 带符号无符号无符号十进制 ) 浮点数浮点数位位串位串地址码的编码要考虑 : 操作数的个数寻址方式 : 立即 / 寄存器 / 寄间 / 直接 / 间接 / 相对 / 基址 / 变址 / 堆栈操作码的编码要考虑 : 定长操作码 / 扩展操作码条件码的生成四种基本标志 :NF / VF / CF / ZF 指令设计风格 : 按操作数地址指定方式来分 :» 累加器型堆栈型通用寄存器型通用寄存器型 load/store 型按指令格式的复杂度来分» 复杂指令集计算机 CISC 精简指令集计算机 RISC 典型指令系统举例 Pentium / PowerPC / MMX 以下通过 MIPS 指令系统, 介绍如何在机器语言级表示程序

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