【文章內(nèi)容簡介】 上操作數(shù)的指令，其中兩個分別給出源操作數(shù)和目的操作數(shù)的地址，第三個操作數(shù)用于指出保存本次運算結(jié)果的去處。在有些性能更高的計算機中，還有使用更多操作數(shù)的指令，用于完成對一批數(shù)據(jù)的處理過程，如字符串復制指令和矩陣運算指令等。 上述 4 種情況中的前 3 種，由于其指令字長可以相對較短，執(zhí)行速度較高，計算機硬件結(jié)構(gòu)可以相對簡單等優(yōu)點，在各種不同的計算機中被廣泛應用；相對而言，多操作 數(shù)指令用在字長較長的大中型計算機中。從簡化硬件與系統(tǒng)本身的功能考慮，系統(tǒng)安排前 3 種情況的指令系統(tǒng)。 ( 3 ）指令的功能分類 常用的指令分類是按照功能進行的，大致有以下幾種： 本科生畢業(yè)設計（論文） 9 ① 算術(shù)與邏輯運算指令。是每臺計算機都必須具有的指令，用于運算器部件完成對一或兩個數(shù)據(jù)的算數(shù)運算和邏輯運算。 ② 移位指令。包括算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位 3 種，用于對指定的操作數(shù)左移或右移。從實用的角度， ③ 數(shù)據(jù)傳送指令。用于實現(xiàn)寄存器之間、寄存器與內(nèi)存儲器存儲單元之間、寄存器與外圍設備、內(nèi)存儲 器不同存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳送。從內(nèi)存儲器和外圍設備（接口）操作性質(zhì)的不同，又區(qū)分為讀和寫兩種操作，指明數(shù)據(jù)傳送的方向。 ④轉(zhuǎn)移指令、子程序調(diào)用于返回指令。用于解決變動程序中指令執(zhí)行次序的需求。轉(zhuǎn)移指令分為條件轉(zhuǎn)移和五條件轉(zhuǎn)移兩種，在改變執(zhí)行次序之后不設計再次轉(zhuǎn)回的問題，而子程序調(diào)用于返回指令在子程序運行結(jié)束后轉(zhuǎn)移到子程序調(diào)用指令之后的那條指令后繼續(xù)執(zhí)行。 ⑤ 其他指令。如中斷指令，堆棧指令、端口出入指令等等。 注意：不同的人對指令的功能劃分的標準并不完全相同，其分類結(jié)果也有所差異。這里從系統(tǒng)的需要出 發(fā)，基本上就設置了以上功能的指令。 指令尋址方式的確定 尋址方式解決的是如何在指令中表示一個操作數(shù)地址的問題。指令的操作數(shù)地址通常被稱為形式地址，用這些形式地址并結(jié)合某些規(guī)則，可以計算出操作數(shù)在存儲器中存儲單元的地址，這種地址被稱之為物理地址或有效地址。計算機中的尋址方式有以下幾種： ( l ）立即數(shù)尋址。參與運算操作數(shù)包含在指令字節(jié)中。操作數(shù)以指令字節(jié)的形式存放于內(nèi)存中。如： MOVA , 12 ( 2 ）寄存器尋址。以寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)，如： MOVA , R0 ，這種尋址包括累加器尋址，又如： INA 。 ( 3 ）寄存器間接尋址。以寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)所在的存儲器地址。如：MOVA , RO ，把 R0 的內(nèi)容所指的內(nèi)存地址作為操作數(shù)。 ( 4 ）直接尋址。指令中含有操作數(shù)的直接地址，與該地址對應存儲器單元的內(nèi)容為操作數(shù)。如： LDA 34H 。將地址為 34H 的內(nèi)存單元值送到累加器中。 這四種尋址方式是一般計算機系統(tǒng)常用的尋址方式，當然不同的機型可能還用到其它的尋址方式，如 51 系統(tǒng)用到基寄存器加變址寄存器間接尋址。本系統(tǒng)由于采用 32 位字長，以上四種尋址方式 簡單夠用。 指令系統(tǒng)的確定 合理地確定一臺計算機的指令系統(tǒng)關(guān)系到計算機設計與實現(xiàn)的復雜程度和生產(chǎn)成本以及使用的難易程度和運行效率，因此，評價一臺計算機的指令系統(tǒng)的優(yōu)劣應綜合考慮，主要有以下幾方面 : ( l ）盡可能小的指令集。指令數(shù)目要適當減少，較短的指令格式，簡化的本科生畢業(yè)設計（論文） 10 尋址方式，單字指令為主，每條指令的功能要盡可能地簡單，給出的指令集合，只要能夠支撐所設計的計算機按目標運行便可。 ( 2 ）較好的完備性和典型性。指令集應有一定的完備性和較好的典型性，常用指令應齊全，指令格式應規(guī) 范，分類應合理。指令執(zhí)行步驟容易理解，符合人們通常的編程使用習慣。 ( 3 ）更高的可擴充性。為添加各種新的指令留下較為充足的余地，包括每一類指令都保有幾條可擴充。 事實上，同時滿足上述原則是困難的，但是參考這些原則可以設計出更加合理的指令系統(tǒng)。設計指令系統(tǒng)的核心問題是選定指令的格式和功能。指令的格式與計算機的字長、期望的存儲器容量和讀寫方式、計算機硬件結(jié)構(gòu)的復雜程度和追求的運算性能有關(guān)。 根據(jù)指令系統(tǒng)的綜合指標， 本系統(tǒng)采用 RISC 指令系統(tǒng)。 RISC，即精簡指令集計算機，其設計思想是 盡量降低計算機指令的數(shù)量及復雜性，簡化尋址方式。 R ISC 處理器設計的指令集既能使流水線處理器有效執(zhí)行，又能使編譯器優(yōu)化代碼的生成。 RISC 的特征有： ( 1 )一個周期執(zhí)行一條指令； ( 2 )固定指令長度； ( 3 )訪問內(nèi)存只能使用 Load 和 Store 兩條指令； ( 4 )簡化尋址方式； ( 5 )更少且更簡單的操作； ( 6 )延遲加載和分支語句； ( 7 )提前讀取與猜測執(zhí)行； ( 8 )編譯器負責優(yōu)化程序。 從 20 世紀 80 年代中期開始，出現(xiàn)了多種 RISC 體系結(jié)構(gòu)的微處理器，比如MIPS 公司的 R3000 / R10000 , SUN 公司的 SPARC , IBM / Motorola / Apple 公司的 PowerPC , DEC 公司的 Alpha21264 , ARM 公司的 ARM7 等。每一代 RISC 微處理器的出現(xiàn)，無不帶來速度的大大提升。目前， R ISC 微處理器已廣泛應用于高端服務器和嵌入式領域。 指令集結(jié)構(gòu)指的是處理器執(zhí)行操作集合的設計 , 包括編程模型的選擇及寄存器的數(shù)目、數(shù)據(jù)的尋址方式和采用定長還 是變長的指令編碼機制等。由于這不是本文的重點，我們只簡要地介紹一下本文 RISC 微處理器指令集結(jié)構(gòu)的特點。 本 RISC 采用 Load Store 結(jié)構(gòu)，只有 Load / store 類指令才可以訪問數(shù)據(jù)存儲器子系統(tǒng)。這在簡化了指令集的同時也簡化了 RISC CPU 中控制單元的設計。在本RISC 中用到了以下四種尋址方式：立即尋址、寄存器尋址、基址寄存器尋址和相對尋址。 本 RISC 采用定長指令集編碼，也就是說它采用相同的位數(shù)來編碼指令集結(jié)構(gòu)中每一條指令。定長編碼機制的優(yōu)點在于指令譯碼比較簡單，它在簡 化指令譯本科生畢業(yè)設計（論文） 11 碼邏輯的同時減少了譯碼邏輯的延遲。同時微處理器能更容易地預測下一條將被執(zhí)行的非轉(zhuǎn)移指令的位置，這使得能更容易地使用流水線來改善微處理器的性能 本 32 位 RISC CPU 采用通用寄存器結(jié)構(gòu)。在通用寄存器結(jié)構(gòu)中，指令從隨機訪問寄存器堆中讀出其操作數(shù)并將指令執(zhí)行結(jié)果回寫到寄存器堆中。通用寄存器堆允許指令通過指定寄存器編號以任意次序來訪問寄存器，并且讀出寄存器內(nèi)容時不改變寄存器值。 其示意圖如下所示： 圖 31 RISC CPU 系統(tǒng) 具體的指令譯碼可以根據(jù) 自己功能的需求輸入到存儲模塊中，以便進 行譯碼和控制操作。 運算器 設計 及實現(xiàn) 運算器的基本功能 運算器的基本組成與結(jié)構(gòu) 運算器是計算機的數(shù)據(jù)加工部件。其功能主要有以下幾種： ( l ）完成對數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)運算和邏輯運算。由其內(nèi)部的 ALU 承擔，它在給出運算結(jié)果的同時還給出結(jié)果的某些特征，如溢出否，有無進位，結(jié)果是否為零、為負等等。 ( 2 ）暫存參加運算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。由其內(nèi)部的一組寄存器承擔。 ( 3 )作為處理機內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐贰＿\算器要與計算機其他幾個功能部件協(xié)同運行，須有接收外部數(shù)據(jù)輸入和內(nèi)部運算結(jié) 果輸出的邏輯電路。 了解了運算器的功能之后，對其組成模塊進行初步的劃分： ( 1 ) ALU 實現(xiàn)基本的算術(shù)、邏輯運算。 ( 2 ）寄存器組提供操作數(shù)與暫存結(jié)果的。 ( 3 ）標志寄存器存儲有關(guān)的判別邏輯與控制信號。 將這些功能模塊連接成一個整體，便構(gòu)成一個運算器。對于這樣的一個運算器 ,最主要的問題就是如何向 ALU 提供操作數(shù)。這里有兩種方案： 本科生畢業(yè)設計（論文） 12 ( 1 ) ALU 輸入端＋多路選擇器 各寄存器可以獨立、多路地將數(shù)據(jù)送至 ALU 的多路選擇器，使 ALU 有選擇地同時獲得兩路輸入數(shù)據(jù)。運算器的內(nèi)部總線是一組單向傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)線，他將運算結(jié)果送往各寄存器，由寄存器的同步打入脈沖將內(nèi)部總線上的數(shù)據(jù)送入寄存器，如果同時發(fā)幾個打入脈沖，則可將總線上的同一數(shù)據(jù)同時送入幾個相關(guān)的寄存器。 （ 2 ） ALU 輸入端＋一級鎖存器 運算器的內(nèi)部總線是一組雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，為了進行雙操作數(shù)之間的運算操作， ALU 輸入端前設置了一級鎖存器，可暫存操作數(shù)。如，可通過內(nèi)部總線先將 寄存器 中的數(shù)據(jù)送入鎖存器 1 ，再通過內(nèi)部總線將 寄存器 中的數(shù)據(jù)送入鎖存器2 ，然后相加并將結(jié)果經(jīng)總線送入 目標寄存器 。 這里要注意一點：運算器的內(nèi)部總線是 CPU 的內(nèi)部數(shù)據(jù) 通路，因此只有數(shù)據(jù)線。移位器實質(zhì)上是一個多路開關(guān)，它利用輸出邏輯對 ALU 的結(jié)果進行功能選擇，如移位或直接傳送，有時候根據(jù)總線模式也可以不用。 根據(jù)以上兩種方案比較，一般來說，采取雙向總線結(jié)構(gòu)比較方便，選擇方案 2 的方式向 ALU 提供操作數(shù)。 運算器的內(nèi)部總線確定 運算器的內(nèi)部總線是 CPU 的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路，因此只有數(shù)據(jù)線，但是按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐反篌w上又可劃分為三種結(jié)構(gòu)： ( l ）單總線結(jié)構(gòu)運算器 這種結(jié)構(gòu)的運算器實現(xiàn)一次雙操作數(shù)的運算要分成三步，他的主要缺點是操作速度慢。 ( 2 ）雙總線結(jié)構(gòu)運算器 這種結(jié)構(gòu)的運算器，兩個操作數(shù)可以分別通過兩條總線同時送到 ALU 去進行運算，并且立即可以得到運算的結(jié)果。但是 ALU 的輸出不能直接送到總線上去，這是因為此時兩條總線都被操作數(shù)所占據(jù)著，所以必須在 ALU 的輸出端設置一個緩沖器，先將結(jié)果送入緩沖器，第二步再把結(jié)果送至目的寄存器。顯然，他的執(zhí)行速度比單總線要快，每次操作比單總線少一步，但是由于增加了硬件，控制也變得復雜。 ( 3 ）三總線結(jié)構(gòu)運算器 這種結(jié)構(gòu)的運算器， ALU 的兩個輸入端分別由兩條總線供給，輸出與第三條總線相連，這樣算數(shù)與邏輯運算操作可以在一步之內(nèi)完成。如果某一個數(shù)不需要運算和修改，而需要直接的總線傳送，可通過總線旁路器把數(shù)據(jù)送出，而不必借助于 ALU 。三總線結(jié)構(gòu)的特點是操作速度快，但結(jié)構(gòu)與控制更為復雜。 根據(jù)以上的分析與比較，并結(jié)合課題的要求，由于系統(tǒng)對速度的要求并不高，而結(jié)構(gòu)與控制又需簡單明了，綜合起來運算器采用帶輸入鎖存器的單總線結(jié)構(gòu)。 本科生畢業(yè)設計（論文） 13 ALU 的相關(guān)指令 ALU 指令可分為 4 類：邏輯運算指令、算術(shù)運算指令、移位指令 和比較指令。 邏輯運算指令包括寄存器操作類型和立即數(shù)操作類型。寄存器操作類型是對兩個寄存器中的內(nèi)容進行邏輯運算，結(jié)果存入寄存器中，如 AND 、 OR 、 XOR 和 NOR 等；立即數(shù)操作類型是對寄存器的內(nèi)容和 32 位擴展立即數(shù)進行邏輯運算，結(jié)果存入寄存器，如 ANDI 、 ORI 、 XORI 和 NORI 等。 算術(shù)運算指令與邏輯運算指令類似，不同的是算術(shù)運算指令還包含了有符號數(shù)和無符號數(shù)。 ADD 、 ADDI 和 SUB 表示參與運算的是有符號數(shù)，立即數(shù)進行符號擴展；ADDU 、 ADDIU 和 SUBU 表示參與運 算的是無符號數(shù)，立即數(shù)進行無符號擴展。 移位指令包括左移指令和右移指令 SLL 、 SRA 、 SRAV 、 SRL 和 SRLV 等。 SLL邏輯左移，指令為將寄存器 rt 中的數(shù)據(jù)左移 Sa 位，低位補 O ，結(jié)果存入寄存器rd 中。 SLLV 變量邏輯左移，指令格式為 SLLV rd , rt , rs 。將寄存器中 rt 中的數(shù)據(jù)左移，低位補 0 ，移位數(shù)由寄存器 rs 低 5 位確定，結(jié)果存入寄存器 rd 中。邏輯右移指令與邏輯左移指令相似，在此不再詳述。 SRL、 SRLV 指令格式為 SRL rd , rt , sa 。 SRLV rd , rt , rs 。 SRA 算術(shù)右移，指令格式為 SRA rd , rt , Sa 。寄存器 rt 中的數(shù)據(jù)右移 Sa 位，高位進行符號擴展，結(jié)果存入寄存器 rd 中。 SRAV變量算術(shù)右移，指令格式為 SRAV rd , rt , rs 。寄存器 rt 中的數(shù)據(jù)右移，移位數(shù)由寄存器 rs 的低五位決定，高位進行符號擴展，結(jié)果存入寄存器 rd 中。 比較指令比較兩個數(shù)的大小，以 1 和 0 標識。比較指令同樣涉及寄存器類型和立即數(shù)類型，有符號數(shù)和無符號數(shù)。包括 4 條指令： SLT、 SLTU 、和 SLTIU。SLT 的指令格式為 SLT rd , rt , rs 。寄存器 rt 和 rs 中均為有符號數(shù)，如果rs 中的數(shù)小于 rt 中的數(shù)，那么結(jié)果為 1 否則為 0，結(jié)果存入目的寄存器 rd 中。SLTI 的指令格式為 SLTI rd , rs , intimidate 。 16 位立即數(shù) intimidate 經(jīng)符號擴展為 32 位，如果 rs 中的數(shù)小于立即數(shù)，那么結(jié)果為 1 ，否則為 O ，結(jié)果存入目的寄存器 rd 中。 SLTU 和 SLTIU 與前兩者類似，不同的是 SLTU 和 SLTIU 是對無符號數(shù)進行操作。 還有其他具體指令，這里不 再詳細說明，所有指令均在圖 32 中給予列出。 本科生畢業(yè)設計（論文） 14