【正文】 ??iiilp45/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2. 等長(zhǎng)擴(kuò)展碼 ? 為了便于分級(jí)譯碼，一般都采用 等長(zhǎng)擴(kuò)展碼 。 指令字格式的優(yōu)化 空白浪費(fèi) 空白浪費(fèi) 定長(zhǎng)指令字長(zhǎng)度 L 地址碼 操作碼 地址碼 地址碼 操作碼 操作碼 49/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 2. 采用地址個(gè)數(shù)可變和 /或地址碼長(zhǎng)度可變的方案 ? 利用操作碼縮短所帶來(lái)的好處 ? 最常用的操作碼最短，其地址字段個(gè)數(shù)最多。 ? 可以有效地降低譯碼的復(fù)雜度，提高譯碼的速度。 ? 循環(huán)控制部分通常用 3條指令完成： ? 一條加法指令 ? 一條比較指令 ? 一條分支指令 ? 設(shè)置循環(huán)控制指令，用一條指令完成上述 3條 指令的功能。 60/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)指令系統(tǒng) ? 操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是緊密聯(lián)系的，操作系 統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)在很大程度上取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的支持。 導(dǎo)致的問(wèn)題： ? 占用了大量的芯片面積（如占用 CPU芯片總面積的 一半以上），給 VLSI設(shè)計(jì)造成很大的困難； ? 增加了研制時(shí)間和成本，容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。 66/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) 1983年的 RISCⅡ ： ? 指令條數(shù)為 39，通用寄存器個(gè)數(shù)為 138，時(shí)鐘頻率為12MHz。 ? 給數(shù)據(jù)加上標(biāo)識(shí)，由數(shù)據(jù)本身給出操作數(shù)類型。 ? 非壓縮十進(jìn)制：將十進(jìn)制數(shù)直接用字符串來(lái)表示。 73/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. MIPS的數(shù)據(jù)表示 ? 整數(shù) 字節(jié)（ 8位 ） 半字（ 16位 ） 字（ 32位 ） 雙字（ 64位 ） ? 浮點(diǎn)數(shù) 單精度浮點(diǎn)數(shù)（ 32位 ） 雙精度浮點(diǎn)數(shù)（ 64位 ） 2. 字節(jié)、半字或者字在裝入 64位寄存器時(shí)，用零擴(kuò)展或者用符號(hào)位擴(kuò)展來(lái)填充該寄存器的剩余部分。 ? ALU指令 Regs[rd]← Regs[rs] funct Regs[rt] funct為具體的運(yùn)算操作編碼 操作碼 rs 6 5 5 6 rt 5 rd fu n c t 0 5 6 10 11 15 16 31 20 21 s h a mt 25 26 5 79/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? J類指令 ? 包括跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)并鏈接指令，自陷指令，異常返回指令。 3. load和 store指令 指令舉例 指令名稱 含 義 LD R2， 20(R3) 裝入雙字 Regs[R2]← 64 Mem[20+Regs[R3]] LW R2， 40(R3) 裝入字 Regs[R2]← 64 (Mem[40+Regs[R3]]0)32 Mem[40+Regs[R3]] LB R2， 30(R3) 裝入字節(jié) Regs[R2]← 64 (Mem[30+Regs[R3]]0)56 Mem[30+Regs[R3]] LBU R2， 40(R3) 裝入無(wú)符號(hào)字節(jié) Regs[R2]← 64 056 Mem[40+Regs[R3]] LH R2， 30(R3) 裝入半字 Regs[R2]← 64 (Mem[30+Regs[R3]]0)48 Mem[30+Regs[R3]] Mem[31+Regs[R3]] F2， 60(R4) 裝入半字 Regs[F2]← 64 Mem[60+Regs[R4]] 032 F2， 40(R3) 裝入雙精度浮點(diǎn)數(shù) Regs[F2]← 64 Mem[40+Regs[R3]] SD R4， 300(R5) 保存雙字 Mem[300+Regs[R5]]← 64 Regs[R4] SW R4， 300(R5) 保存字 Mem[300+Regs[R5]]← 32 Regs[R4] F2， 40(R2) 保存單精度浮點(diǎn)數(shù) Mem[40+Regs[R2]]← 32 Regs[F2] 0 90/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 由操作碼指出操作數(shù)是單精度（ SP）或雙精度（ DP） ? 后綴 S： 表示操作數(shù)是單精度浮點(diǎn)數(shù) ? 后綴 D： 表示是雙精度浮點(diǎn)數(shù) 2. 浮點(diǎn)操作 包括加、減、乘、除，分別有單精度和雙精度指令。 例如： “ 置小于 ” 指令 ? 有的分支指令可以直接判斷寄存器內(nèi)容是否為負(fù)，或者比較兩個(gè)寄存器是否相等。 例如： 0 32：一個(gè) 32位長(zhǎng)的全 0字段 82/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 符號(hào) ： 用于兩個(gè)字段的拼接，并且可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳送的任何一邊。 ? 立即數(shù)字段為 16位，用于提供立即數(shù)或偏移量。 3. 一些特殊寄存器 ? 它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。 ? 浮點(diǎn)操作數(shù)： 單精度浮點(diǎn)數(shù) （ 1個(gè)字）、雙精度浮點(diǎn)數(shù)（雙字）。 研究： 這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān) 系，并給出相應(yīng)的算法。 3. 早期的 RISC微處理器 ? 1981年 ， Berkeley分校的 Patterson 等人的 32位微處理器 RISC I ： ? 31條 指令，指令字長(zhǎng)都是 32位 ， 78個(gè) 通用寄存器，時(shí)鐘頻率為 8MHz； ? 控制部分所占的芯片面積只有約 6%。 ? 使用頻度高的指令也是最簡(jiǎn)單的指令。 ② 直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言的機(jī)器 直接把高級(jí)語(yǔ)言作為機(jī)器語(yǔ)言。 ? 既能減少目標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間，也能有效地縮短程序的長(zhǎng)度。 操作碼 地址描述符 1 地址碼 1 地址描述符 n 地址碼 n ? 52/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 操作碼 地址碼 1 地址碼 2 地址碼 3 ? 固定長(zhǎng)度編碼格式 ? 將操作類型和尋址方式一起編碼到操作碼中。 ? 以程序的存儲(chǔ)空間為代價(jià)來(lái)?yè)Q取硬件實(shí)現(xiàn)上的好處。 44/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 用兩位的 00、 0 10分別用于表示使用頻度高的 I II3，然后用 11作為高位擴(kuò)展出 4個(gè) 4位的二進(jìn)制編碼，用于表示剩下的 4條指令。在該樹(shù)中，對(duì)每個(gè)結(jié)點(diǎn)向下的兩個(gè)分支，分別用二進(jìn)制 “ 1”和 “ 0”來(lái)表示。 ? 構(gòu)造哈夫曼樹(shù)的方法 ? 將各事件按其使用頻度從小到大依次排列 ； ? 每次從中選擇兩個(gè)頻度值最小的結(jié)點(diǎn)，將其合并成一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)，并把新結(jié)點(diǎn)畫(huà)在所選結(jié)點(diǎn)的上面， 37/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 然后用兩條邊把新結(jié)點(diǎn)分別與那兩個(gè)結(jié)點(diǎn)相連。 （ PC相對(duì)尋址） ? 優(yōu)點(diǎn) ? 有效地減少表示該目標(biāo)地址所需要的位數(shù) ? 位置無(wú)關(guān)（代碼可被裝載到主存的任意位置執(zhí)行） ? 關(guān)鍵： 確定偏移量字段的長(zhǎng)度 ? 模擬結(jié)果表明：采用 4～ 8位 的偏移量字段（以指令字為單位）就能表示大多數(shù)控制指令的轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址了。 ? 分支： 當(dāng)控制指令是有條件改變控制流時(shí)，則稱之為分支指令。 28/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 正交性 ：在指令中各個(gè)不同含義的字段，如操作類型、數(shù)據(jù)類型、尋址方式字段等，在編碼時(shí)應(yīng)互不相關(guān)、相互獨(dú)立。 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 24/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 硬件實(shí)現(xiàn)的 特點(diǎn) 速度快、成本高、靈活性差 ? 軟件實(shí)現(xiàn)的 特點(diǎn) 速度慢、價(jià)格便宜、靈活性好 3. 對(duì)指令系統(tǒng)的基本要求 完整性、規(guī)整性、正交性、高效率、兼容性 ? 完整性： 在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問(wèn)題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令系統(tǒng)所提供的指令足夠使用。 20/90 ▲ 尋址方式 6. 一個(gè)需要注意的問(wèn)題 ：物理地址空間的信息如何存放？ 如何在存儲(chǔ)器中存放不同寬度的信息？ 以 IBM370為例子進(jìn)行討論。 尋址方式 14/90 ▲ 尋址方式 2. 一些操作數(shù)尋址方式 ? ?： 賦值操作 ? Mem： 存儲(chǔ)器 ? Regs： 寄存器組 ? 方括號(hào)： 表示內(nèi)容 ? Mem[ ]：存儲(chǔ)器的內(nèi)容 ? Regs[ ]：寄存器的內(nèi)容 ? Mem[Regs[R1]]：以寄存器 R1中的內(nèi)容作為地址的 存儲(chǔ)器單元中的內(nèi)容 尋址方式 指令實(shí)例 含 義 寄存器尋址 ADD R1 , R2 Regs[R1]←Regs[R 1]＋ Regs[R2] 立即值尋址 ADD R3 , 6 Regs[R3]←Regs[R 3]＋ 6 偏移尋址 ADD R3 , 120(R2) Regs[R3]←Regs[R 3]＋ Mem[120+Regs[R2]] 寄存器間接尋址 ADD R4 , (R2) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[Regs[R2]] 索引尋址 ADD R4 , (R2 + R3) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[Regs[R2]+Regs[R3]] 直接尋址或 絕對(duì)尋址 ADD R4 , (1010) Regs[R4]←Regs[R 4]＋ Mem[1010] 存儲(chǔ)器間接尋址 ADD R2 , (R4) Regs[R2]←Regs[