【正文】 3. 浮點(diǎn)數(shù)比較指令 ? 根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置浮點(diǎn)狀態(tài)寄存器中的某一位，以便于后面的分支指令 BC1T（若真則分支）或BC1F（若假則分支）測(cè)試該位，以決定是否進(jìn)行分支。 89/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4. 分支指令（條件轉(zhuǎn)移） ? 分支條件 由指令確定 例如： 測(cè)試某個(gè)寄存器的值是否為零 ? 提供一組比較指令，用于比較兩個(gè)寄存器的值。63←name 2； ((PC+4)－ 227)≤name ＜ ((PC+4)+227) JALR R3 寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接 Regs[R31]←PC+4 ； PC← Regs[R3] JR R5 寄存器跳轉(zhuǎn) PC← Regs[R5] BEQZ R4， name 等于零時(shí)分支 if(Regs[R4]== 0) PC←name ； ((PC+4)－ 217)≤name ＜ ((PC+4)+217) BNE R3， R4， name 不相等時(shí)分支 if(Regs[R3]!= Regs[R4]) PC←name ((PC+4)－ 217)≤name ＜ ((PC+4)+217) MOVZ R1， R2， R3 等于零時(shí)移動(dòng) if(Regs[R3]==0) Regs[R1]← Regs[R2] 88/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 跳轉(zhuǎn)指令 ? 根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令確定目標(biāo)地址的方式不同以及跳轉(zhuǎn)時(shí)是否鏈接，可以把跳轉(zhuǎn)指令分成 4種。 例如： DADDIU R1， R0， 100 給寄存器 R1裝入常數(shù) 100 DADD R1， R0， R2 把寄存器 R2中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器 R1 86/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 由一組跳轉(zhuǎn)和一組分支指令來(lái)實(shí)現(xiàn)控制流的改變 2. 典型的 MIPS控制指令 MIPS的控制指令 指令舉例 指令名稱(chēng) 含義 J name 跳轉(zhuǎn) PC 36 ? 上標(biāo)： 用于表示對(duì)字段進(jìn)行復(fù)制的次數(shù)。 ? 在這類(lèi)指令中，指令字的低 26位是偏移量，它與 PC值相加形成跳轉(zhuǎn)的地址。 MIPS的指令格式 76/90 ▲ MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu) rt rs 立即數(shù)（ i m m ed i a t e ） 操作碼 6 5 5 16 0 5 6 10 11 15 16 31 ? I類(lèi) 指令 ? 包括所有的 load和 store指令，立即數(shù)指令，分支指令，寄存器跳轉(zhuǎn)指令，寄存器鏈接跳轉(zhuǎn)指令。裝入以后，對(duì)它們將按照 64位整數(shù)的方式進(jìn)行運(yùn)算。 ? 存儲(chǔ)單精度浮點(diǎn)數(shù)（ 32位）時(shí)，只用到 FPR的一半，其另一半沒(méi)用。 3. 訪問(wèn)不同操作數(shù)大小的頻率 （ SPEC基準(zhǔn)程序 ） 操作數(shù)大小 訪問(wèn)頻度 整型平均 浮點(diǎn)平均 字節(jié) 7% 0% 半字 19% 0% 單字 74% 31% 雙字 0% 69% 基準(zhǔn)程序?qū)巫趾碗p字的數(shù)據(jù)訪問(wèn)具有較高的頻度。 ? 整數(shù)： 用二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，其大小可以是字節(jié)、半字或單字。 ? 優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，可由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)一致性檢查和類(lèi)型轉(zhuǎn)換，縮小了機(jī)器語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差距，簡(jiǎn)化編譯器等。 ? 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)： 由軟件進(jìn)行處理和實(shí)現(xiàn)的各種數(shù)據(jù)類(lèi)型。 ? 后來(lái)發(fā)展成了 Sun公司的 SPARC系列微處理器。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令； ? 采用簡(jiǎn)單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長(zhǎng)都為 32位或 64位； ? 指令的執(zhí)行在單個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成； (采用流水線機(jī)制 ) ? 只有 load和 store指令才能訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令的操作都是在寄存器之間進(jìn)行； （即采用 loadstore結(jié)構(gòu)） ? 大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)； 65/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級(jí)語(yǔ)言程序生成優(yōu)化的代碼； ? 充分利用流水技術(shù)來(lái)提高性能。 ? 許多指令由于操作繁雜， 其 CPI值 比較大，執(zhí)行 速度慢。而其余 80％ 的指令只在 20％ 的運(yùn)行時(shí) 間內(nèi)才會(huì)用到。 ? 指令系統(tǒng)對(duì)操作系統(tǒng)的支持主要有： ? 處理機(jī)工作狀態(tài)和訪問(wèn)方式的切換； ? 進(jìn)程的管理和切換； ? 存儲(chǔ)管理和信息保護(hù)； ? 進(jìn)程的同步與互斥，信號(hào)燈的管理等。 （面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī) ） 59/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 高級(jí)語(yǔ)言計(jì)算機(jī) ① 間接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器 高級(jí)語(yǔ)言作為機(jī)器的匯編語(yǔ)言。 I = m1 I = I + m3 循環(huán)體 I ＞ m2 N Y 一般循環(huán)程序的結(jié)構(gòu) 57/90 ▲ 指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn) ? 面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)來(lái)改進(jìn)指令系統(tǒng) （縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距） 高級(jí)語(yǔ)言與一般的機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距非常大，為高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯帶來(lái)了一些問(wèn)題。對(duì)于使用頻度高的指令，用硬件加快其執(zhí)行；對(duì)于使用頻度高的指令串，用一條新的指令來(lái)替代。 ? 大部分 RISC的指令系統(tǒng)均采用這種編碼格式。 ? 可能會(huì)使各條指令的字長(zhǎng)和執(zhí)行時(shí)間相差很大。 能夠使指令的功能增強(qiáng)，從總體上減少所需的指令條數(shù) 。 許多計(jì)算機(jī)都采用（特別是 RISC結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)） ? 保證操作碼的譯碼速度、減少譯碼的復(fù)雜度。 （在早期的計(jì)算機(jī)上） 例如： 15/15/15法和 8/64/512法 ? 選用哪種編碼法取決于指令使用頻度 pi的分布。 ? 上表中的指令，采用 24的擴(kuò)展操作碼，可以得到如表右邊所示的編碼方案。上表中列出了所有指令的哈夫曼編碼。 ???niii ppH12l o g－39/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 指令 頻度 pi 操作碼使用哈夫曼編碼 操作碼 長(zhǎng)度 li 利用哈夫曼概念的擴(kuò)展操作碼 操作碼長(zhǎng)度 li I1 0 1 0 0 2 I2 1 0 2 0 1 2 I3 1 1 0 3 1 0 2 I4 1 1 1 0 0 5 1 1 0 0 4 I5 1 1 1 0 1 5 1 1 0 1 4 I6 1 1 1 1 0 5 1 1 1 0 4 I7 1 1 1 1 1 5 1 1 1 1 4 40/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 解 （ 1） （ 2）其哈夫曼樹(shù)如圖所示，該樹(shù)的每個(gè)葉結(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)于一條指 令。 0. 0 5 畫(huà)哈夫曼樹(shù)的一個(gè)基本步驟 0. 0 2 0. 0 3 38/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ? 操作碼優(yōu)化的程度可以用 信息熵 來(lái)衡量。 36/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 1. 哈夫曼編碼 ? 基本思想 ：當(dāng)各種事件發(fā)生的概率不均等時(shí)，可以對(duì)發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)（時(shí)間）來(lái)表示（處理），而對(duì)于出現(xiàn)概率較低的事件，則可以用較長(zhǎng)的位數(shù)（時(shí)間）來(lái)表示（處理），從而使總的平均位數(shù)（時(shí)間）縮短。 ? 過(guò)去有些指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了 專(zhuān)門(mén)的保存機(jī)制 來(lái)保存許多寄存器的內(nèi)容。 33/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 5. 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址的表示 ? 最常用的方法 在指令中提供一個(gè)偏移量，由該偏移量和程序計(jì)數(shù) 器（ PC）的值相加而得出目標(biāo)地址。而且它限制了指令的執(zhí)行順序，因?yàn)橐ＷC條件碼能順利地傳送給分支指令。 ? 跳轉(zhuǎn)： 當(dāng)指令是無(wú)條件改變控制流時(shí)，稱(chēng)之為跳轉(zhuǎn)指令。 29/90 ▲ 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 4. 在設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)時(shí)，有兩種截然不同的設(shè)計(jì)策略。 例如： 如果某機(jī)器有 5種數(shù)據(jù)表示， 4種字長(zhǎng)，兩種存儲(chǔ)單 元，則要設(shè)置 5 4 2=40種同一操作的指令。 ? 對(duì)稱(chēng)性： 所有與指令系統(tǒng)有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、 操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱(chēng)的。 ? 包括 ? 指令的功能設(shè)計(jì) ? 指令格式的設(shè)計(jì) 2. 在確定哪些基本功能用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要考慮 3個(gè)因素： 速度、成本、靈活性。采用按字節(jié)編址，各類(lèi)信息都是用該信息的首字節(jié)地址來(lái)尋址。 適合 ：處理機(jī)具有多種尋址方式，且指令有多個(gè)操作數(shù)。 19/90 ▲ 尋址方式 5. 兩種表示尋址方式的方法 ? 將尋址方式編碼于操作碼中，由操作碼描述相應(yīng)操作的尋址方式。 ? 對(duì)于存儲(chǔ)器操作數(shù)來(lái)說(shuō)，由尋址方式確定的存儲(chǔ)器地址稱(chēng)為 有效地址 。對(duì)存儲(chǔ)器的頻繁訪問(wèn)會(huì)使存儲(chǔ)器成為瓶頸。指令的執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)因操作數(shù)的來(lái)源（寄存器或存儲(chǔ)器）不同而差別比較大。 寄存器－存儲(chǔ)器型 （ 1， 2） 可以在 ALU指令中直接對(duì)存儲(chǔ)器操作數(shù)進(jìn)行引用，而不必先用 load指令進(jìn)行加載。 9/90 ▲ 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類(lèi) ? ALU指令中存儲(chǔ)器操作數(shù)的個(gè)數(shù) 可以是 0～３ 中的某一個(gè)，為 0表示沒(méi)有存儲(chǔ)器操作數(shù)。 ? 對(duì)編譯器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。 5/90 ▲ 指令系