体系结构-指令集结构

一个完整的指令集结构包括

 我们必须解决的问题包括：

1. 指令的编码方式（即如何编码）
2. 操作数和操作结构的存放位置
   1. 存放位置
   2. 多少个现实操作数
   3. 存储器操作数如何定位
   4. 那些操作数可以或不可以放到存储器中
3. 数据的类型和大小
4. 支持哪些操作
5. 下一条指令的地址
   1. jumps,conditions,branches
   2. fetch-decode-execute is implicit

• 有关ISA的若干问题
  • 分类
    • 

    • stack	0 address	ADD	tos<---tos+next
      Accumulator	1 address	ADD A	acc<---acc+mem[A]
      	1+x address	ADDX A	acc<---acc+mem[A+x]
      Register-memory	2 address	ADD A B	EA[A]<---EA[A]
      	3 address	add A B C	EA[A]<---EA[B]+EA[C]
      Load-Store	3 address	add  A B C	A<---B+C
      		load A B	A<---mem[B]

    • 通用寄存器型（R-M   R-R）占主导地位
      • 寄存器比存储器更快
      • 对便一起来说寄存器更容易使用
    • 尾端问题
      • • little endian,big endian，在一个字内部的字节顺序问题，例如在地址xxx00指定了一个字（int），存储器中从xxx00连续存放ffff0000，有两种表示方式：
          • 小端方式：xxx00位置是字的最低字节，数值为0000ffff。x86，dec vax，windows NT
          • 大端方式：xxx00位置是字的最高字节，数值为ffff0000。IBM 360/370，Motorola，MIPS
    • 对齐问题
      • 对一个s字节的对象访问，地址为A，如果A mod s ==0，则是边界对齐
      • 这是由于存储器本身的读写要求的。没有对其的对象可能会导致存储器两次读写。
    •  基准测试结果：
      • 偏移寻址、立即数寻址、寄存器寻址方式，其使用频度为75%~99%
      • 偏移字段大小为12~16bits，可满足75%~99%的需求
      • 立即数字段大小为8~16bits，可满足50%~80%的需求

操作数类型和操作数表示

类型：是面向应用、面向软件系统处理的各种操作数据类型。整型、浮点型、字符、字符串、向量类型；类型由操作码确定。

表示：操作数在机器中的表示，硬件结构能够识别，指令系统可以直接使用的表示格式。整型（原码、补码、反码），浮点（IEE 754标准），十进制（BCD码，二进制十进制表示）

• ISA研究的问题
  • ISA的分类
  • 操作数部分
    • 理解存储器地址（尾端+对齐问题）
    • 寻址方式
    • 操作数的类型、表示和大小问题
  • 操作码部分
    • 支持哪些类型的操作
  • 指令格式
• 研究的方法：基于统计的方法
• 结论：
  • 常用的寻址方式：立即数、偏移寻址、寄存器寻址
  • 偏移字段的大小：12~16bits
  • 立即数字段的大小8~16bits
  • 操作数大小：单字、双字的数据访问频率高；64字长更具一般性
• ISA的功能设计
  • 任务：确定硬件支持哪些操作
  • 方法：统计
  • 类型：CICS和RISC
• 控制类指令
  • 条件分支最常见
  • 寻址方式：pc-relative和偏移地址至少8位；即动态的转移地址方式
• CISC
  • 强化指令功能，减少程序中指令条数

RISC计算机指令集结构的功能设计

• 特点：
  • 大多数指令在单周期内完成
  • 采用load、store结构
  • 硬布线控制逻辑
  • 减少指令和寻址方式种类
  • 固定的指令格式
  • 注重代码的优化
  • 面向寄存器结构
  • 重视流水线的执行效率--》尽量减少断流
  • 重视优化编译技术
• RISC为了使流水线高效执行
  • 简单而统一的指令译码
  • 大部分指令可以单周期完成
  • 只有load/store指令访存
  • 简单寻址技术
  • 采用load延迟技术
• 为了便于优化编译产生优化代码
  • 三地址指令格式
  • 较多适量的寄存器
  • 对称的指令格式
• RISC的关键技术
  • 延迟转移技术
  • 指令取消技术
  • 重叠寄存器窗口技术
    • 处理器中设置多个寄存器堆，并划分多个窗口
    • 每个过程使用其中相邻的三个窗口和一个公共的窗口
    • 一个与前一个过程公用；一个与下一个过程公用；一个作为局部寄存器
  • 指令调整技术
  • 硬件为主，固件为辅
• 频率较高的指令：load,store,add,subtract,move register-register,and,shift,compare equal,compare not equal,branch,jump,call,return
• 控制类指令：conditional branch,jump,procedure calls,procedure returns
• 控制类指令的寻址方式：pc-relative
  • 编译时不知道转移地址，程序执行时动态确定
  • 转移地址放到某一寄存器中

• 指令编码方式
  • 长度可变
  • 长度固定
  • 混合
MIPS寻址方式/指令格式（所有指令都是32bit）
• 寄存器直接寻址
  • 
• 立即数寻址
  • 
• 基址寻址
  • 
• pc相对寻址
  • 
• 寄存器间接寻址
  • 

现代编译技术与计算机体系结构设计

• ISA设计需要了解的有挂compiler的问题
  • 如何分配变量
    • 高级语言分配数据的区域
      • stack
        • 用来分配局部变量；用来存储活动记录（call和return），工作堆栈指针访问其中的内容
      • global data area
        • 用来分配被静态说明的对象，如常亮和全局变量、其中数组和其他聚集类型的数据结构比例大。
      • heap
        • 分配动态对象，用指针访问，通常不是标量。全局变量和堆变量因为存在别名问题而无法分配寄存器
  • 如何寻址变量
  • 需要多少寄存器
  • 优化技术对指令使用频率的影响
  • 使用哪些控制结构
• MIPS指令集结构
  • MIPS的寄存器
    • 32个64bit通用寄存器（GPRS）
      • r0,r1,...,r31
      • 整数寄存器
      • r0 = 0
    • 32个64bit浮点寄存器（FPRS）
      • f0,f1,...,f31
      • 用来存放32个单精度浮点数（32bit），也可以用来存放32个双精度浮点数（64bit）
      • 存放单精度数时，只用了FPR的一半；
    • 一些特殊寄存器
      • 可以与通用寄存器交换数据
      • 浮点状态寄存器保存浮点操作的结果
  • MIPS的数据表示
    • 整数
      • 字节8bit ；半字16bit；字32bit；双字64bit
      • 浮点数 单精度（32bit），双精度（64bit）
      • 字节、半字、字被装入64位寄存器时，零扩展或符号扩展。
  • 寻址方式
    • 立即数寻址和偏移量寻址，其立即数、偏移量字段都是16bit
    • 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的
    • 16bit绝对寻址是通过把R0作为基址寄存器来实现
    • mips的存储器按字节寻址，地址为64bit
    • 所有的存储器访问都是边界对齐
  • 指令格式
    • 寻址方式编码到操作码中
    • 所有指令都是32bit
    • 操作码占6bit
    • 3中指令格式
      • I类指令
        • ,立即数字段为16bit，用于提供立即数和偏移量

        • load指令	访存有效地址：Regs[rs]+immediate	从存储器取来的数据放入寄存器rt中
          store指令	访存有效地址：Regs[rs]+immediate	从存储器取来的数据放入寄存器rt中
          立即数指令	Regs[rt]<---Regs[rs] op immediate
          分支指令	目标转移地址：Regs[rs]+immediate	rt无用
          寄存器跳转、寄存器跳转并连接		转移目标地址为Regs[rs]

      • R类指令
        • 
        • 包括ALU指令，专用寄存器读/写指令，move指令
        • ALU指令     Regs[rd]<---Regs[rs] func Regs[rt]，func为具体的运算操作编码
      • J类指令
        • 
        • 包括跳转指令、跳转并连接指令、自陷指令、异常返回指令；
        • 指令字的低26位是偏移量，左移两位，与pc值相加，形成跳转的地址。
  • 指令的分类（load/store,ALU操作,分支与跳转，浮点操作）
  • 符号的意义
    • x<---_ny:从y传送n位到x
      
    • x,y<---z:把z传送到x和y
    • 下标：表示字段中具体的位；对于指令和数字，按从最高位到最低位（左--》右）顺序依次编号，最高位为第0位，次高位为第1位。
      • 下表可以是数字或者一个范围；Regs[R4]₀，即R4的符号位；Regs[R4]_56...63的最低位
    • Mem：表示主存，按字节寻址
    • 上标：用于表示对字段进行复制的次数；0³²一个32位全0的字段
    • 符号##，用于连个字段的拼接，并且可以出现在数据传送的任何一边。eg，R8、R10为64位的寄存器，则Regs[R8]_32..63<---₃₂(Mem[Regs[R6]]₀)²⁴##Mem[Regs[R6]]；表示的是，以R6的内容作为地址访问内存，得到的字节按符号位扩展的32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即Regs[R8]_0..31)不变。
  • LD R2,20(R3)	装入双字	Regs[R2]<---64(Mem[20+Regs[R3]])
    LW R2,40(R3)	装入字	Regs[R2]<---64(Mem[40+Regs[R3]]0)32 ## Mem[40+Regs[R3]]
    LB R2,30(R3)	装入字节	Regs[R2]<---64(Mem[30+Regs[R3]]0)56 ## Mem[40+Regs[R3]]
    LBU R2,40(R3)	装入无符号字节	Regs[R2]<---64056 ## Mem[40+Regs[R3]]
    LH R2,30(R3)	装入半字	Regs[R2]<---64(Mem[30+Regs[R3]]0)48 ## Mem[30+Regs[R3]]##Mem[31+Regs[R3]]
    L.S F2,60(R4)	装入半字	Regs[F2]<---64Mem[60+Regs[R4]] ## 032
    L.D F2,40(R3)	装入双精度浮点数	Regs[F2]<---64Mem[40+Regs[R3]]
    SD R4,300(R5)	保存双字	Mem[300+Regs[R5]]<---64Regs[R4]
    SW R4,300(R5)	保存字	Mem[300+Regs[R5]]<---32Regs[R4]
    S.S F2,40(R2)	保存单精度浮点数	Mem[40+Regs[R2]]<---32Regs[F2]0..31
    SH R5,502(R4)	保存半字	Mem[502+Regs[R4]]<---16Regs[R5]48..63

  • • ALU指令

    • DADDU R1,R2,R3	无符号加
      DADDIU R4,R5,R6	加无符号立即数
      LUI R1,#4	把一个立即数装入到一个字的高16位	Regs[R1]<---032 ## 4 ## 016
      DSLL R1,R2,#5	逻辑左移	Regs[R1]<---Regs[R2]<<5
      DSLT R1,R2,R3	置小于	if(Regs[R2]<Regs[R3]) then Regs[R1]<---1 else Regs[R1]<---0

    • 控制类指令

    • J name	跳转	PC36..63<---  name<<2
      JAL name	跳转并连接	Regs[R31]<-- PC+4;PC36..63<---name<<2;((PC+4)-227)<=neme<((PC+4)+227)
      JALR R3	寄存器跳转并连接	Regs[R31]<--- PC+4;PC<--Regs[R3]
      JR R5	寄存器跳转	PC<-- Regs[R5]
      BEQZ R4,name	等于零时分支	if(Regs[R4]==0) then PC<-- name;((PC+4)-217)<=name<((PC+4)+217)
      BNE R3,R4,name	不相等时分支	((PC+4)-217)<= name < ((PC+4)+217)
      MOVZ R1,R2,R3	等于零时移动	if(Regs[R3]==0) then Regs[R1]<--Regs[R2]

    • 跳转指令（根据目标指令确定目标指令的方式不同以及是否跳转时连接，可以将跳转指令分为4类）
      • 目标地址的确定方式：把指令中的26位偏移量左移2位后，替换pc中的低28位；由指令中指定的一个寄存器来给出目标转移地址
      • 跳转的两种类型：简单跳转（把目标地址送入程序计数器）；跳转并连接，将目标指令送入程序计数器，把返回地址（下一条）放入寄存器R31
    • 分支指令（跳转转移）
      • 分支指令指令的目标地址，由16位带符号偏移量左移两位后和pc相加决定。
      • 浮点条件分支指令：通过测试浮点状态寄存器来决定是否进行分支。

原文：http://www.cnblogs.com/li-daphne/p/4067241.html