指令集结构的功能设计.ppt

1192.3 指令集结构的功能设计第二章 计算机指令集结构设计操作类型实 例算算术术和和逻逻辑运算辑运算整数的算术和逻辑操作：加、减、与、或等。整数的算术和逻辑操作：加、减、与、或等。数据传输数据传输Load/Store控制控制分支、跳转、过程调用和返回、自陷等。分支、跳转、过程调用和返回、自陷等。系统系统操作系统调用、虚拟存储器管理等。操作系统调用、虚拟存储器管理等。浮点浮点浮点操作：加、乘等。浮点操作：加、乘等。十进制十进制十进制加、十进制乘、十进制到字符的转换。十进制加、十进制乘、十进制到字符的转换。字符串字符串字符串移动、字符串比较、字符串搜索等。字符串移动、字符串比较、字符串搜索等。图形图形象素操作、压缩象素操作、压缩/解压操作等。解压操作等。1.指令集中操作的分类 3192.一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的 操作？(指令集结构功能设计问题指令集结构功能设计问题)两种截然不同的方向：两种截然不同的方向：复杂指令集计算机（复杂指令集计算机（CISCCISC）强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移。强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移。精简指令集计算机（精简指令集计算机（RISCRISC）尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到 简化实现，提高性能的目的。简化实现，提高性能的目的。当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。2.3 指令集结构的功能设计4192.3.1 CISC指令集结构的功能设计CISCCISC结构追求的目标：结构追求的目标：强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。提高性能的目的。增强指令功能主要是从如下几个方面着手：增强指令功能主要是从如下几个方面着手：1.面向目标程序增强指令功能l 提高运算型指令功能提高运算型指令功能l 提高传送指令功能提高传送指令功能l 增加程序控制指令功能增加程序控制指令功能2.3 指令集结构的功能设计5192.2.面向高级语言和编译程序改进指令系统面向高级语言和编译程序改进指令系统 (1)1)增加对高级语言和编译系统支持的指令功能增加对高级语言和编译系统支持的指令功能 对源程序中各种高级语言语句进行使用频对源程序中各种高级语言语句进行使用频 度的统计与分析，对于使用频度高的语句，度的统计与分析，对于使用频度高的语句，可以设置专门的指令或采取措施增加相应可以设置专门的指令或采取措施增加相应 令的功能，以提高其编译速度和执行速度。令的功能，以提高其编译速度和执行速度。从面向编译程序，尤其是从优化代码生成从面向编译程序，尤其是从优化代码生成 的角度进行考虑，增加指令集结构的规整的角度进行考虑，增加指令集结构的规整 性来改进指令系统。性来改进指令系统。2.3 指令集结构的功能设计619规整性：规整性：没有或尽可能减少例外的情况和特殊的没有或尽可能减少例外的情况和特殊的 应用，以及所有运算都能对称、均匀地应用，以及所有运算都能对称、均匀地 在存储器单元或寄存器单元之间进行。在存储器单元或寄存器单元之间进行。(2)(2)高级语言计算机指令系统高级语言计算机指令系统 面向高级语言面向高级语言(HL)(HL)的机器的机器 缩小机器语言和高级语言的语义差距。缩小机器语言和高级语言的语义差距。间接执行型高级语言机器间接执行型高级语言机器 高级语言和机器语言是一一对应的，用汇高级语言和机器语言是一一对应的，用汇 编的方法编的方法(可以用软件实现，也可以用硬件实可以用软件实现，也可以用硬件实 现现)把高级语言源程序翻译成机器语言程序。把高级语言源程序翻译成机器语言程序。2.3 指令集结构的功能设计719 直接执行型高级语言机器直接执行型高级语言机器高级语言就作为机器语言，直接由硬件或高级语言就作为机器语言，直接由硬件或固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释以固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释以执行它。执行它。3.面向操作系统的优化实现改进指令系统操作系统的实现在很大程度上取决于体系结操作系统的实现在很大程度上取决于体系结构的支持。构的支持。(1)(1)主要表现在对以下方面的支持主要表现在对以下方面的支持2.3 指令集结构的功能设计819l中断处理中断处理l进程管理进程管理l存储管理和保护存储管理和保护l系统工作状态的建立与切换系统工作状态的建立与切换 (2)(2)设置指令设置指令l支持系统工作状态和访问方式转移的指令支持系统工作状态和访问方式转移的指令l支持进程转移的指令支持进程转移的指令l支持进程同步和互斥的指令支持进程同步和互斥的指令2.3 指令集结构的功能设计9192.3.2 RISC指令集功能的设计1.CISC结构存在的缺点(1)(1)在在CISCCISC结构的指令系统中，各种指令的使用频结构的指令系统中，各种指令的使用频 率相差悬殊。率相差悬殊。(2)CISC(2)CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构指令系统的复杂性带来了计算机体系 结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成 本，而且还容易造成设计错误。本，而且还容易造成设计错误。(3)CISC(3)CISC结构指令系统的复杂性给结构指令系统的复杂性给VLSIVLSI设计增加了设计增加了 很大负担，不利于单片集成。很大负担，不利于单片集成。2.3 指令集结构的功能设计1019(4)CISC(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很结构的指令系统中，许多复杂指令需要很 复杂的操作，因而运行速度慢。复杂的操作，因而运行速度慢。(5)(5)在在CISCCISC结构的指令系统中，由于各条指令的功结构的指令系统中，由于各条指令的功 能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结 构技术（如流水技术）来提高系统的性能。构技术（如流水技术）来提高系统的性能。2.RISC计算机 (1)(1)指令系统只包含那些使用频率很高的指令指令系统只包含那些使用频率很高的指令 和一些必要指令。和一些必要指令。Intel 80X86 Intel 80X86最常用的十条指令最常用的十条指令2.3 指令集结构的功能设计执行频率排序80X86指令指令执行频率（执行指令总数）1Load222条件分支条件分支203比较比较164Store125加加86与与67减减58寄存器寄存器间寄存器寄存器间数据移动数据移动49调用调用110返回返回1合合 计计96Intel 80X86最常用的十条指令1219(2)(2)目的目的 使得计算机体系结构更加简单、更加合理和使得计算机体系结构更加简单、更加合理和 更加有效，克服更加有效，克服CISCCISC结构的缺点，使机器速度更结构的缺点，使机器速度更 快，程序运行时间缩短，从而提高计算机系统的快，程序运行时间缩短，从而提高计算机系统的 性能。性能。(3)(3)设计原则设计原则l 选取使用频率最高的指令，并补充一些最有选取使用频率最高的指令，并补充一些最有 用的指令；用的指令；l 每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机 器周期内完成；器周期内完成；l 所有指令长度均相同；所有指令长度均相同；2.3 指令集结构的功能设计1319l 只有只有LoadLoad和和StoreStore操作指令才访问存储器操作指令才访问存储器;l 其它指令操作均在寄存器之间进行；其它指令操作均在寄存器之间进行；l 以简单有效的方式支持高级语言。以简单有效的方式支持高级语言。2.3.3 控制指令 (1)(1)跳转跳转:当控制指令为无条件改变控制流时，当控制指令为无条件改变控制流时，称之为称之为“跳转跳转”。(2)(2)分支：分支：当控制指令是有条件改变控制流时，当控制指令是有条件改变控制流时，称之为称之为“分支分支”。2.3 指令集结构的功能设计1419l条件分支条件分支l跳转跳转l过程调用过程调用l过程返回过程返回(3)(3)控制流程的各种改变情况控制流程的各种改变情况2.3 指令集结构的功能设计1.控制指令的使用频率 （一台（一台Load/StoreLoad/Store型指令集结构的机器：型指令集结构的机器：SPECint92 SPECint92、Specfp92Specfp92基准程序）基准程序）改变控制流的大部分指令是改变控制流的大部分指令是条件分支指令。条件分支指令。表示分支条件的技术测试分支条件的方法优 点缺 点条件码条件码（CC）在在程程序序的的控控制制下下，由由ALU操操作设置特殊的位。作设置特殊的位。可可以以自自由由设设置置分支条件。分支条件。CC是是额额外外状状态态，条条件件码码限限制制了了指指令令顺顺序序，因因为为必必须须从从一一条条指指令令将将分分支支条条件件信信息息传传送到分支指令。送到分支指令。条件寄条件寄存器存器 根根据据比比较较结结果果测测试试条条件件寄寄存存器。器。简单简单 占用了一个寄存器。占用了一个寄存器。比较且比较且分支分支比比较较操操作作是是分分支支指指令令的的一一部部分分，通通常常这这种种比比较较是是受受一一定定限制的。限制的。一一条条指指令令完完成成了了两两条条指指令令的的功能。功能。分支指令的操作增多。分支指令的操作增多。2.常用的三种表示分支条件的技术及其优缺点 17193.分支目标地址的表示 PCPC相对寻址：相对寻址：在指令中提供一个和程序计数在指令中提供一个和程序计数 器（器（PCPC）的值相加的偏移量。）的值相加的偏移量。(1)(1)有效地缩短指令中表示目标地址的字段的有效地缩短指令中表示目标地址的字段的 长度；长度；(2)(2)使得代码在执行时与它被载入的位置无关。使得代码在执行时与它被载入的位置无关。关键问题是：关键问题是：转移目标离当前控制指令的偏移量有多大？转移目标离当前控制指令的偏移量有多大？2.3 指令集结构的功能设计18194.过程调用和返回的状态保存 两种方法来保存寄存器的内容：两种方法来保存寄存器的内容：(1)(1)“调用者保存调用者保存”方法方法在一个调用者调用别的过程时，必须保存调用在一个调用者调用别的过程时，必须保存调用者所要保存的寄存器，以备调用结束返回后，能够者所要保存的寄存器，以备调用结束返回后，能够再次访问调用者。再次访问调用者。(2)“被调用者保存被调用者保存”方法方法被调用的过程必须保存它要用的寄存器，保证被调用的过程必须保存它要用的寄存器，保证不会破坏过程调用者的程序执行环境，并在过程调不会破坏过程调用者的程序执行环境，并在过程调用结束返回时，恢复这些寄存器的内容。用结束返回时，恢复这些寄存器的内容。2.3 指令集结构的功能设计19192.3 指令集结构的功能设计