计算机体系结构第2章

计算机体系结构第2章

第2章 计算机指令集结构张晨曦 刘依http://www.77cn.com.cnxzhang2000@http://www.77cn.com.cn

▲

1/75

计算机体系结构第2章

2.12.2 2.3 2.4 2.5

指令集结构的分类寻址方式 指令集结构的功能设计 操作数的类型和大小 指令格式的设计

2.6

MIPS指令集结构

▲

2/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类1. 区别不同指令集结构的主要因素 CPU中用来存储操作数的存储单元的类型

2. CPU中用来存储操作数的存储单元的主要类型 堆栈 累加器 通用寄存器组

3. 将指令集结构分为三种类型▲ 3/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

堆栈结构

累加器结构 通用寄存器结构根据操作数的来源不同，又可进一步分为:

寄存器-存储器结构(RM结构)(操作数可以来自存储器 )

寄存器-寄存器结构(RR结构) (所有操作数都是来自通用寄存器组) 也称为load-store结构，这个名称强调：只有 load指令和store指令能够访问存储器。

▲

4/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

4. 对于不同类型的指令集结构，操作数的位置、个数以

及操作数的给出方式(显式或隐式)也会不同。 显式给出：用指令字中的操作数字段给出 隐式给出：使用事先约定好的存储单元

5. 4种指令集结构的操作数的位置以及结果的去向

▲

5/75

计算机体系结构第2章

堆栈结构

累加器结构

通用寄存器结构(RM) 通用寄存器结构(RR)

CPUTOS

ALU ALU

ALU

ALU

存储器

(a)

(b)

(c)

(d)

灰色块：操作数

黑色块：结果

TOS(Top Of Stack):栈顶

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

例: 表达式C=A+B在4种类型指令集结构上的代码。 假设：A、B、C均保存在存储器单元中，并且不能

破坏A和B的值。堆 栈 push A push B add pop C▲

累加器 load A add B

寄存器(RM型) load R1,A add R1,B

寄存器(RR型) load R1,A load R2,B add R3,R1,R2

store C

store R1,C

store R3,C7/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

6. 通用寄存器结构 现代指令集结构的主流 在灵活性和提高性能方面有明显的优势

跟其他的CPU内部存储单元一样，寄存器的访问

速度比存储器快。

对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。

寄存器可以用来存放变量。(1)减少对存储器的访问，加快程序的执行速度； (因为寄存器比存储器快)

▲

8/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

(2)用更少的地址位(相对于存储器地址来说)来对寄存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的 大小。

7. 根据ALU指令的操作数的两个特征对通用寄存器型指令集结构进一步细分 ALU指令的操作数个数

3个操作数的指令 两个源操作数、一个目的操作数

2个操作数的指令

其中一个操作数既作为源操作数

,又作为目的操作数。

▲

9/75

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

ALU指令中存储器操作数的个数可以是0~3中的某一个，为0表示没有存储器操作数。

▲

10/75

计算机体系结构第2章

8. ALU指令中操作数个数和存储器操作数个数的典型组合ALU指令中存储器操作数的个数

ALU指令中操作数的最多个数

结构类型

机器实例

0

3

RR

MIPS,SPARC,Alpha,

PowerPC,ARMIBM 360/370,Intel 80x86,Motorola 68000 IBM 360/370

21 3

RMRM

23

23

MMMM

VAX VAX

计算机体系结构第2章

2.1 指令集结构的分类

9. 通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型 寄存器-寄存器型(RR型) 寄存器-存储器型(RM型) 存储器-存储器型(MM型)

10. 3种通用寄存器型指令集结构的优缺点 表中(m,n)表示指令的n个操作数中有m个存 储器操作数。

▲

12/75

计算机体系结构第2章

指令集结构类型

优

点

缺

点

指令字长固定，指令结构 寄存器-寄存器型 简洁，是一种简单的代码 生成模型，各种指令的执 (0,3) 行时钟周期数相近

与指令中含存储器操作数的指令集 结构相比，指令条数多，目标代码 不够紧凑，因而程序占用的空间比 较大

可以在ALU指令中直接对存 指令中的两个操作数不对称。在一 条指令中同时对寄存器操作数和存 储器操作数进行引用，而 不必先用load指令进行加 储器操作数进行编码，有可能限制 寄存器-存储器型 载。容易对指令进行编码， 指令所能够表示的寄存器个数。指 令的执行时钟周期数因操作数的来 (1,2) 目标代码比较紧凑 源(寄存器或存储器)不同而差别 比较大指令字长变化很大，特别是3操作数 存储器-存储器型 目标代码最紧凑，不需要 (2,2) 或(3,3) 设置寄存器来保存变量

指令。而且每条指令完成的工作也差别很大。对存储器的频繁访问会 使存储器成为瓶颈。这种类型的指 令集结构现在已不用了

计算机体系结构第2章

2.2 寻址方式1. 一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址？ 2. 当前的指令集结构中所采用的一些操作数寻址方式 :赋值操作 Mem:存储器 Regs:寄存器组 方括号：表示内容

Mem[ ]:存储器的内容 Regs[ ]:寄存器的内容 Mem[Regs[R1]]:以寄存器R1中的内容作为地址的 存储器单元中的内容14/75

▲

计算机体系结构第2章

寻址方式寄存器寻址

指令实例Add R4 , R3

含

义

Regs[R4]←Regs[R4]+Regs[R3]

立即值寻址偏移寻址 寄存器间接寻址 索引寻址 直接寻址或 绝对寻址

Add R4 , #3Add R4 , 100(R1) Add R4 , (R1) Add R3 , (R1 + R2) Add R1 , (1001)

Regs[R4]←Regs[R4]+3Regs[R4]←Regs[R4]+Mem[100+Regs[R1]] Regs[R4]←Regs[R4]+Mem[Regs[R1]] Regs[R3]←Regs[R3]+Mem[Regs[R1]+Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[1001]

存储器间接寻址自增寻址 自减寻址 缩放寻址

Add R1 ,

@(R3)Add R1 , (R2)+

Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Mem[Regs[R3]]]Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] Regs[R2]←Regs[R2]+d Regs[R2]←Regs[R2]-d Regs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]] Regs[R1]←Regs[R1] + Mem[100 + Regs[R2] + Regs[R3]*d]

Add R1, -(R2) Add R1 , 100(R2)[R3]

计算机体系结构第2章

2.2 寻址方式

采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条 数，但可能增加计算机的实现复杂度以及指令的CPI。

▲

16/75