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曰威印
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1 计算机组织与系统结构指令系统设计 Instruction Set Design ( 第四讲 ) 程旭

2 指令系统设计软件指令系统硬件

3 指令系统体系结构 (Instruction Set Architecture) ADD SUBTRACT AND OR COMPARE... 从程序员来观察从计算机来观察 CPU Memory I/O 计算机程序 ( 指令 ) Princeton (Von Neumann) 系统结构 Harvard 系统结构 --- 数据和指令存放在统一存储器中 --- 数据 & 指令 ( 存储程序计算机 ) 存放在不同的存储器中 ( stored program computer") --- 程序当作数据 --- 在某些高性能实现中 --- 存贮系统的利用 (Storage utilization) 具有优势 --- 单一的存储器接口

4 计算机的简单模型 IAS 程序计数器 : Program Counter (PC) 累加器 ACC 存储地址寄存器 MAR 存储数据寄存器 MDR/MBR 指令寄存器 IR

5 指令系统设计中的基本问题 --- 应该提供哪些 ( 以及多少 ) 操作? 用 LD/ST/INC/BRN 已经足够编制任何计算程序但是并不实用, 这主要因为编出的程序太长! --- 如何 ( 以及多少 ) 操作数应该被指明? 大多数操作是双值运算 (dyadic) ( 例如, A B + C) 也有一些是单值运算 (monadic) ( 例如,A ~B) --- 如何将这些指令编码成一致的指令格式? 指令长度应该为基本数据 / 地址宽度的倍数! 典型的指令系统 : 32 位字基本操作数地址为 32 位长基本操作数 ( 例如, 整数 ), 32 位长通常, 指令可以涉及 3 个操作数 (A := B + C) 挑战 : 用少量的位数, 对操作进行编码!

6 执行周期 Instruction Fetch 从程序存储系统中获得指令 Instruction Decode 确定所需的动作和指令大小 Operand Fetch Execute 定位并获得操作数数据计算结果数值或状态 Result Store 在存储系统中存放结果, 以备后用 Next Instruction 确定后续指令

7 必须指定什么? 指令格式或编码 Instruction Fetch Instruction Decode Operand Fetch Execute Result Store Next Instruction 如何对它译码? 对操作数和结果定位除了存储器之外, 还可放在哪里? 有多少个显式操作数? 如何对存储器操作数进行定位? 哪些操作数可以或者不可以在存储器中? 数据类型和大小操作支持哪些? 后续指令 jumps, conditions, branches - 指令处理必须经过 fetch-decode-execute!

8 将要揭示的主题对操作数和结果定位除了存储器之外, 还可放在哪里? 有多少个显式操作数? 如何对存储器操作数进行定位? 哪些操作数可以或者不可以存放在存储器中? 操作类型指令格式或编码如何对它译码? 数据类型和大小支持哪些?

10 基本的指令系统体系结构种类累加器 (Accumulator): 1 address add A acc acc + mem[a] 1+x address addx A acc acc + mem[a + x] 堆栈 (Stack): 0 address add tos tos + next 比较 : 每条指令的字节数? 指令数? 每条指令的周期数?

11 基本的指令系统体系结构种类通用寄存器 (General Purpose Register): 2 address add A B Val(A) Val(A) + Val(B) 3 address add A B C Val(A) Val(B) + Val(C) 装入 / 存储 (Load/Store): 3 address add Ra Rb Rc Ra Rb + Rc load Ra Rb store Ra Rb Ra mem[rb] mem[rb] Ra 比较 : 每条指令的字节数? 指令数? 每条指令的周期数?

12 比较指令的数量四类指令系统, 完成 C = A + B 的代码序列 : 堆栈累加器寄存器寄存器 ( 寄存器 - 存储器 ) (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 Store C,R3

13 通用寄存器结构占优势 1975 年以来, 所有的机器都使用通用寄存器寄存器的优点寄存器比存储器快寄存器便于编译器使用 - 例如, (A*B) (C*D) (E*F) 可以按任意顺序计算乘法 vs. 堆栈寄存器可以保留变量 - 可减少存储器通信量, 因而可以加速程序执行 ( 因为寄存器比存储器要快!) - 可改进代码密度 ( 因为指定寄存器比指定存储器位置所需的位数要少 )

14 寄存器使用的实例每条典型的 ALU 指令的存储器地址的数目每条典型的 ALU 指令中操作数的最多数目实例 0 3 SPARC, MIPS, Precision Architecture, Power PC 1 2 Intel 80x86, Motorola VAX ( 还有 3 操作数格式 ) 3 3 VAX ( 还有 2 操作数格式 )

15 存储器操作数 / 操作数数目的利弊寄存器寄存器 : 0 存储器操作数 / 指令, 3 ( 寄存器 ) 操作数 / 指令 + 简单固定长度指令编码 ; 简单的代码生成模式指令执行需要相近的时钟数目 - 与指令中可以访问存储器单元的结构相比, 需要更高的指令总数一些指令较短, 编码位数可能会有浪费

16 存储器操作数 / 操作数数目的利弊寄存器存储器 (1,2) 利数据无需预先装入就可以被访问. 指令格式有易于编码的倾向, 可产生较好的指令密度弊操作数不等价, 这是因为二元操作中的一个源操作数将被破坏. 每条指令都要编码一个寄存器号和一个存储器地址, 将可能限制寄存器的数目. 根据不同的操作数位置, 每条指令的时钟数可能会多样化.

17 存储器操作数 / 操作数数目的利弊存储器存储器 (3,3) + 最紧凑. 不会因为中间存储而浪费寄存器. 指令大小会有很大变化, 特别是对于 3 操作数指令而且, 每条指令的工作也有很大变化. 存储器访问会产生存储器瓶颈!

18 指令分类的总结猜测 : 新的指令系统体系结构需要使用通用寄存器流水 => 猜测 : 它将使用通用寄存器指令系统体系结构中的装入 / 存储形式

19 存储器寻址 1980 年以来, 几乎每台计算机的最小寻址单元都为 8 位 ( 字节 ) 指令系统体系结构设计的 2 个问题 : 由于可以用四次字节装入方式, 从连续的字节地址读入 32 位字, 也可以用字装入方式, 从单一字节地址, 读入 32 位字, 那么字节地址如何映射到字? 一个字能否存放与任何字节边界?

20 寻址对象 Big Endian: 最大量的地址 (address of most significant) IBM 360/370, Motorola 68k, MIPS, Sparc, HP PA Little Endian: 最小量的地址 (address of least significant) Intel 80x86, DEC Vax 最大字节最小字节 Aligned little endian word 0: big endian word 0: Not Aligned 对准 (Alignment): 要求对象只能安放于其大小的倍数的地址上!

21 字节交换问题 (Byte Swap Problem) D 3 C 2 B 1 A 0 Big Endian 字节地址增加 ABCD A 3 B 2 C 1 D 0 Little Endian 当在具有不同定义的机器之间, 传输存储字时, 必须变换字节的顺序, 以保证数据的成功复制每个系统都是完备的, 但是当它们之间需要通信时, 就会产生问题!

22 寻址方式寻址方式示例含义 Register Add R4,R3 R4 R4+R3 Immediate Add R4,#3 R4 R4+3 Displacement Add R4,100(R1) R4 R4+Mem[100+R1] Register indirect Add R4,(R1) R4 R4+Mem[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 R1+Mem[Mem[R3]] Post-increment Add R1,(R2)+ R1 R1+Mem[R2]; R2 R2+d Pre-decrement Add R1, (R2) R2 R2 d; R1 R1+Mem[R2] Scaled Add R1,100(R2)[R3] R1 R1+Mem[100+R2+R3*d]

23 寻址方式的使用情况 3 个程序 --- Displacement 平均 42%, 变化范围 :32% to 55% --- Immediate 平均 33%, 变化范围 : 17% to 43% --- Register deferred (indirect) 平均 13%, 变化范围 : 3% to 24% --- Scaled 平均 7%, 变化范围 : 0% to 16% --- Memory indirect 平均 3%, 变化范围 : 1% to 6% --- 其他平均 2%, 变化范围 : 0% to 3% 75% displacement & immediate 85% displacement, immediate & register indirect

24 Displacement 地址大小 Int. Avg. FP Avg. 30% 20% 10% 0% Address Bits SPECint92 中 5 个程序的平均和 SPECfp92 中 5 个程序的平均 X 轴的单位是 2 的幂次 :4 => 地址 > 2 3 (8) 和 <2 4 (16) 1% 的地址 > 16 位

25 立即数 (Immediate) 大小 10%~35% 指令是立即数寻址方式 50% ~ 60% 少于等于 8 位 75% ~ 80% 少于等于 16 位

26 寻址方式总结非常重要的数据寻址方式 : Displacement, Immediate, Register Indirect 位移数 (Displacement) 的大小应该为 12 ~ 16 位立即数 (Immediate) 的大小应该为 8 ~ 16 位

27 典型操作数据移动 Data Movement 算术运算 Arithmetic 逻辑运算 Logical 移位 (Shift) 控制 (Jump/Branch) 图形处理 Graphics (MMX) Load (from memory) Store (to memory) memory-to-memory move register-to-register move input (from I/O device) output (to I/O device) push, pop (to/from stack) integer (binary + decimal) or FP Add, Subtract, Multiply, Divide not, and, or, set, clear shift left/right, rotate left/right unconditional, conditional 子程序链接 (Subroutine Linkage) call, return 中断 (Interrupt) trap, return 同步 (Synchronization) test & set (atomic r-m-w) 串 (String) search, translate parallel subword ops (4 16bit add)

28 80x86 中使用最多的 10 条指令次序指令整数平均百分比 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% 总数 96% 简单指令支配指令的频率分布!

29 80X80中的定点寄存器

30 80X80 中的浮点寄存器

31 测试条件码的方法条件码处理器状态位 : 是在算术指令的执行中隐式设置的 ( 也可能在数据移动中 ) 或者由比较或测试指令显式设置例如 : add r1, r2, r3 bz label 条件寄存器例如 : cmp r1, r2, r3 bgt r1, label 比较并转移例如 : bgt r1, r2, label

32 条件码以附带的形式设置条件码可以减少指令总数 X:... SUB r0, #1, r0 BRP X 但是, 也会产生一些弊端 : vs. X:... SUB r0, #1, r0 CMP r0, #0 BRP X --- 并非所有的指令都设置条件码哪些设置哪些不设置常常很混乱! 例如, 移位指令设置进位位 --- 在设置条件码的指令和测试该条件码的指令之间存在依赖关系 : 为了重叠它们的执行, 可能需要在它们之间插入一条不改变该条件码的指令 ifetch read compute write 读旧条件码计算出新条件码 ifetch read compute write

33 转移 (Branches) 有条件地控制传输 (Conditional control transfers) 4 种基本条件 : N -- 负数 (negative) Z -- 零 (zero) 4 种基本条件的 16 种组合 : Always Never Not Equal Equal Greater Less or Equal Greater or Equal Less Greater Unsigned Less or Equal Unsigned Carry Clear Carry Set Positive Negative Overflow Clear Overflow Set V -- 溢出 (overflow) C -- 进位 (carry) Unconditional NOP ~Z Z ~[Z + (N V)] Z + (N V) ~(N V) N V ~(C Z) C Z ~C C ~N N ~V V

34 条件转移的距离 Int. Avg. FP Avg. 40% 30% 20% 10% 0% Distance from branch in instructions i => <2 i-1 & > 2 i-2 25% of integer branches are > 2 & < 4 or -2 to Bits of Branch Dispalcement

35 条件转移寻址 PC- 相关 (PC-relative), 因为大多数条件转移是相对于当前的 PC 地址而言的建议 : 至少 8 位 ( 即 :128 条指令 ) 对于整数程序,Compare Equal/Not Equal 是非常重要的! LT/GE GT/LE EQ/NE 7% 7% 23% 40% 37% 86% Int Avg. FP Avg. 0% 50% 100% Frequency of comparison types in branches

36 操作总结支持如下简单指令, 因为这些指令将支配执行的指令数目 : load store add subtract move register-register and shift compare equal, compare not equal branch (with a PC-relative address at least 8-bits long) jump call return

37 数据类型 (Data Types) 位 : 0, 1 位串 : 特定长度的一些位的序列 4 位是半字节 (a nibble) 8 位是一个字节 (a byte) 16 位是半字 (half-word) (VAX: 字 ) 32 位是一个字 (word) (VAX: 长字 ) 字符 : ASCII 7 位码 EBCDIC 8 位码十进制 : 数字 0-9 编码为 0000b ~ 1001b 每 8 位字节包括两个十进制数整数 : 原码 (Sign & Magnitude): 0X vs. 1X 反码 (1's Complement): 0X vs. 1(~X) 补码 (2's Complement): 0X vs. (1's comp) + 1 浮点 : Single Precision Double Precision Extended Precision 正数都相同前 2 个都有 2 个零通常选择最后一种指数 (exponent) M x R E 具有多少个正负数? 小数点在哪里? 基数 (base) 正负指数表示如何? 尾数 (mantissa)

38 操作数大小的使用情况 Doubleword 0% 69% Word 31% 74% Int Avg. Halfword 0% 19% FP Avg. Byte 7% 0% 支持如下数据大小和类型 : 8 位 16 位 32 位整数以及 32 位和 64 位 IEEE 754 浮点数 0% 20% 40% 60% 80% Frequency of reference by size

39 指令格式如果每条指令都有许多存储器操作数, 并有多种寻址方式, 那么每个操作数就需要一个地址描述符 (Address Specifier) 如果是 load-store 机器, 每条指令最多有 1 地址, 并且只有 1 或 2 种寻址方式, 那么就可以将寻址方式编码到操作码中

40 指令格式的普通例子可变长度 : 固定 : 混合 :

41 指令格式总结如果代码大小至关重要, 那么, 使用可变长度指令如果性能至关重要, 那么使用固定长度指令 Recent embedded machines (ARM, MIPS) added optional mode to execute subset of 16-bit wide instructions (Thumb, MIPS16); per procedure decide performance or density Some architectures actually exploring on-the-fly decompression for more density.

42 现代编译技术概貌

43 编译器与指令系统体系结构易于编译正交性 (orthogonality): 没有专用寄存器, 特殊情况少, 任何数据类型或指令类型都可使用所有操作数模式完全性 (completeness): 支持广泛的操作和目标应用规则性 (regularity): 没有对指令场位 (field) 含义的重载 (overload) 情况高效性 (streamlined): 易于确定资源需求寄存器分配也非常重要

44 现代寄存器分配将参数 (args) 和局部变量 (local variables) 保留在寄存器中利用图染色 (graph coloring) 算法, 分配寄存器如果至少有 16 个寄存器, 工作良好 A= B=... B... C =... A... D = D......C... A C B D

45 图染色 (graph coloring) 算法 A= B=... B... C =... A... D = D......C... A C B D A C B D Interference graph R1= R2=... R2... R2 =... R1... R1 = R1.... R2... The arcs between the nodes show where the ranges of usage for variables (called live ranges) overlap.

46 对编译器的考虑总结提供至少 16 个通用寄存器, 附加单独的浮点寄存器确信所有的寻址方式都可以适用于所有的数据传输指令瞄准最低限要求的指令系统 (minimalist instruction set)

47 指令系统测度 (Instruction Set Metrics) 设计时测度 (Design-time metrics): 可以在多长时间内, 以多少成本, 实现它? 它是否可编程? 是否易于编译? 静态测度 (Static Metrics): 程序占用多少字节的存储器? 动态测度 (Dynamic Metrics): 执行了多少条指令? 为执行该程序, 处理器取出了多少字节? 每条指令需要多少时钟? CPI 最佳测度 : 执行程序的时间! 注 : 这依赖于指令系统处理器组织, 以及编译技术指令总数周期时间

48 本讲总结 : ISA 使用通用寄存器的 load-store 结构 ; 支持如下寻址方式 :displacement (with an address offset size of 12 to 16 bits) immediate (size 8 to 16 bits), 以及 register deferred; 支持如下简单指令 ( 因为它们决定执行的指令总数 ):load store add subtract move register-register and shift compare equal compare not equal branch (with a PC-relative address at least 8-bits long) jump call, 以及 return; 支持如下数据大小和类型 :8 位 16 位 32 位整数 ; 以及 32 位和 64 位 IEEE 754 浮点数如果看重性能, 就使用固定指令编码方案如果看重代码大小, 就使用可变指令编码方案提供至少 16 个通用寄存器, 以及单独的浮点寄存器 ; 确信所有的寻址方式都可以用于所有的数据传输指令 ; 瞄准最低限要求的指令系统

1 CPU

1 CPU 2000 Tel 82316285 82317634 Mail liuxd@buaa.edu.cn 1 CPU 2 CPU 7 72 A B 85 15 3 1/2 M301 2~17 : 3/4 1/2 323 IBM PC 1. 2. 3. 1. 2. 3. 1.1 Hardware Software 1.2 M3 M2 M1 1.2 M3 M1 M2 M2 M1 M1 M1 1.2 M3 M1