1、3.2 指令系统,本节主要分析：, 基于MIPS32架构,指令格式,指令涉及的寻址方式,向用户的指令类型,指令系统,设计CPU的一般过程：,控制器,数据通路,CPU定型,1/41, 指令字：用来表示指令的一组二进制代码。, 指令字长：指令中包含的二进制代码位数, 机器字长：计算机能够直接处理的二进制数据的位数,指令：instruction，计算机执行某类操作的信息的集合，是CPU工作的主要依据。,指令集：instruction set，处理器能执行的全体指令的集合, 决定了 计算机的硬件功能, 计算机中软硬件的分界面,2/41,= 寄存器的宽度。,（CISC、RISC）,3.2.1 指令集类型
2、,1、CISC,2、RISC,(Complex Instruction Set Computing),精简指令集计算,复杂指令集计算,早期计算机部件昂贵、速度慢，为了扩展硬件功能，不得不将更多更复杂指令加入到指令系统，以提高计算机的处理能力, 复杂指令集,(Reduced Instruction Set Computing),随着半导体技术进步，80年代开始逐渐直接通过硬件方式，而不是扩充指令来实现复杂功能，指令规模逐渐缩小、指令进一步简化, 精简指令集,3/41,CISCRISC的技术背景,28规律,不利于VLSI工艺, 主存技术的发展,CISC中的不同指令使用频率悬殊：,为实现大量的复杂指
3、令，控制逻辑极不规整，给VLSI工艺造成很大困难。,一般通过保存在控制存储器中的微程序来实现复杂指令，70年代后期开始用DRAM做主存，使主存与控制存储器的速度相当，因此很多复杂指令不必再用微程序来实现，可用简单指令构成的子程序实现等效功能。,简单指令(约占20%的)约占80%的使用频率，复杂指令(约占80%)只占大约20%的使用频率。,4/41,CISC的特点：,指令数量多；指令长度可以不固定，指令格式和寻址方式多样；很多指令会涉及存储器读写操作，指令周期长；一般在通用处理器中使用；,RISC的特点：,指令数量少；指令长度固定，指令格式和寻址方式种类也少；一般只有少量指令(如取数/存数) 才
4、会读写存储器，其余指令只涉及CPU内部寄存器，指令周期短；一般在高端服务器CPU中使用；,5/41,3.2.2 指令格式,指令的基本格式,1个,1个或几个（广义）,6/41,1. 指令字长,定长指令格式变长指令格式,规整、便于控制,(1)定长操作码各指令的位置、位数固定相同。(2)扩展操作码各指令的位置、位数不固定，根据需要变化,合理利用存储空间、提高取指令的效率，如超长指令集,2. 操作码结构,(设置扩展标志)。,7/41,(3)复合型操作码,例某机的算术逻辑运算指令格式,基本特征：操作码分为几段，每段表示一种二级操作。,复合型操作码,8/41,使用隐式地址，可以减少指令中的地址数量，从而简
5、化地址结构。,3. 地址结构,指令中提供的地址,地址偏移量/立即数寄存器编号,（1）指令中提供地址的方式,指令中明确指明地址码,(直接/间接给出),显式地址方式,隐式地址方式,地址码隐含约定，不在指令中出现。,9/41,（2） 常见的地址结构类型,操作数地址,四地址结构指令,结果地址,下条指令地址,功能：,一般用PC寄存器指示下条指令的地址。,(A1)(A2)A3,A4PC,四地址结构指令在RISC中很少会使用。,10/41,三地址结构指令,操作数地址,结果地址,功能：,(A1)(A2)A3,(PC)+ PC,自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令,如：ADD rd, rs, rt,11/4
6、1,二地址结构指令,目的地址,源地址,功能：,(A1)(A2)A1,(PC)+ PC,自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令,如：ADD R1, R0,12/41,双操作数：,一地址结构指令,隐含约定,单操作数：,源/目的地址,A1 U PCHPC,(A1) A1,(PC)+ PC,自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令,如：J addr,如：INC R0,13/41,零地址结构指令,功能：,用于处理机的特殊控制（如HLT, NOP）。,针对隐含约定的寄存器，如返回指令：,RST,隐含操作：(SP)PC; SP+ SP;,把堆栈栈顶单元保存的返回地址打入PC。,14/41,4. 指令可能会
7、涉及到的操作数类型, 地址码数据寄存器编号或者存储器地址，无符号整数。, 数值型数据定点数、浮点数等，一般用补码表示。, 字符型数据通常表示为ASCII码/汉字内码格式。, 逻辑型数据常规二进制代码，不具有数值含义。,15/41,指令字长为：32位,寄存器数量：32个,RISC,5. MIPS32架构的指令格式,指令类型,指令长度（32位定长）,31 26,2521,5 0,2016,2511,10 6,R型,op(6),rs(5),func,rt(5),rd(5),shamt,I型,op(6),rs(5),rt(5),address/imm (16),J型,op(6),address (26
8、),R型,I型,J型,16/41,3.2.3 指令中的寻址方式,指形成操作数地址或寻找操作数的方式；,立即寻址(Immediate addressing),指令中直接包含了操作数。,1、常见寻址方式,定长格式：,变长格式：,数在指令中，其长度固定、位数少。,数在基本指令之后，其长度可与指令等长,用来提供偏移量、常数、设置初值等。,1条指令，可能会涉及多种寻址方式；,17/41,addi $rt, $rs, 5,指令功能： $rt $rs + imm(符号扩展),立即数 imm,取指令后，直接截取指令中的低16位代码，就能立即得到真值为5的操作数。,因此，得到“5”的方式，就是立即寻址。,18/
9、41,直接寻址,指令中直接给出操作数的地址码。,存储单元地址寄存器编号,(数在M中)(数在R中),主存直接寻址,（绝对寻址）,定长格式,A的位数有限,限制访存范围,变长格式,A的位数可等于指令字长，覆盖整个存储空间,操作数：S =（D）,19/41,寄存器直接寻址(Register Addressing),针对操作数在寄存器中的情况,地址码=rs,20/41,存储单元地址寄存器编号,(数在M中)(数在M中),间接寻址,指令给出操作数的间接地址。,主存间接寻址,A=0030 ,0060 ,操作数：S =(A),存储器,间址单元,一般只在CISC中使用，RISC中一般不用；,1次间址,21/41,
10、寄存器间接寻址,R的地址位数少，R可提供全字长地址码；修改R内容比修改M更快。,S =(R),指针不变(由指令指定)，指针内容可变，使同一指令可指向不同存储单元，以实现程序的循环、共享，并提供转移地址。,堆栈间接寻址,S =(SP),22/41,例 POP (SP),LW $t0, 0($SP),SP既可出现在指令中，也可由操作码隐含约定,堆栈有三种方式（向下，向上，栈顶固定）,23/41,（4）变址、基址寻址及其变化,指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址。,格式,变址寻址,变址寄存器号,S =(RX)+ D),形式地址,修改量,基准地址,24/41,格式,基址寻
11、址(base addressing),基址寄存器号,指令给出一个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址（二维数组的读写）。,位移量,S =(Rb)+ D),基准地址,相对于基址的位移,25/41,变址与基址的区别：,变址寻址：指令提供基准量，寄存器提供偏移量；,基址寻址：指令提供偏移量，寄存器提供基准量；,有效地址=寄存器内容(R)+指令中的立即数D,26/41,S =(RX)+(Rb)+ D),基址+变址,变址寄存器号,指令给出两个寄存器号和一个地址量，寄存器内容与地址量之和为有效地址（处理三维数组）。,位移量,基址寄存器号,便于处理三维数组。,27/41,隐含指定,（5）P
12、C相对寻址(PC-relative addressing),指令给出偏移量，PC当前值与偏移量相加得到有效地址。,位移量,S =(PC)+D),是一种特殊的基址寻址方式,有效地址相对于PC浮动,编程方便。,28/41,格式,（6）页面寻址（伪直接寻址）,指令给出位移量，PC的高位部分与位移量拼接，形成有效地址。,位移量,隐含指定,S =(PC)H ,D),例M为64KB，划分为256页，每页256B，按字节编址。,页号,页内地址,用于页式存储系统。寻址速度快，适于组织程序模块，有效利用存储空间。,29/41,2. 指令中的寻址方式约定,(1)操作码可隐含说明不同寻址方式,例某机指令操作码的最高
13、两位,00：RR型指令，寄存器-寄存器寻址01：RX型指令，寄存器-变址寻址10：SI型指令，基址-立即寻址11：SS型指令，基址-基址寻址,MIPS指令，一般都是采用这种方式。,30/41,（2）指令中可设置寻址方式字段,例某机指令的每个地址字段中各设置一个3位的寻址方式说明字段。,源地址字段,目的地址字段,3位,3位,31/41,(1)按指令格式PDP-11：单、双操作数指令等；,(2)按操作数寻址方式IBM 370： RR型（寄存器-寄存器）RX型（寄存器-变址寄存器）,(3)按指令功能传送、访存、I/O、算数逻辑运算、程序控制、处理机控制等指令。,3.2.4 指令的功能和类型,32/4
14、1,数据传送类指令,源地址对应的存储单元,数 据,主要用来实现:,目的地址对应的存储单元,主要包括:,取数指令、存数指令、数据传送(单字、成组)、数据交换和堆栈操作等。,寄存器之间、存储器单元之间以及寄存器-存储器单元的数据传送。,33/41,设计传送指令时需要考虑：,（1）规定传送范围,（2）指明传送单位,（3）设置寻址方式,MIPS32中只有lw和sw这两个指令可以访问存储器,34/41,输入/输出(I/O)指令,信息,设计时需考虑：,(1)I/O指令对设备的适应性,如何用通用I/O指令实现对各种具体设备的控制？,I/O指令中留有扩展余地,指令中某些字段事先不定义，需要时再约定其含义。,把
15、设备抽象化、透明化处理（接口中设置控制/状态/数据寄存器）,用于外设种类、数量不多的场合。,35/41,（2）主机对外设的寻址方式,I/O端口,寻找I/O接口中的寄存器的方式。,该类寄存器的编号，也称为I/O端口的地址（简称端口地址）,如何为I/O端口分配地址？,单独编址,统一编址,36/41,思路2：用传送指令替代I/O指令,（隐式I/O指令）,思路1：设计专用的I/O指令,（3）I/O指令的设计思路,（显式I/O指令）,思路3：通过IOP进行I/O操作控制,CPU控制IOP(如启动、停止等),需设计两级I/O指令,IOP控制具体I/O操作(如保存等),针对端口自行单独编址，用I/O指令访问
16、I/O端口。指令中说明I/O类型，并给出端口地址。,针对端口和主存统一编址，用访存指令访问I/O端口，故不必再设计专用的I/O指令。,37/41,设计时需考虑操作数类型、符号、进制等，运算结束后设置CPU相应状态标志寄存器。,（1）算术运算指令,算术逻辑运算指令,（2）逻辑运算指令,常用来对码位的设置和条件判断等操作。,如基本的加法(add, addi)，减法(sub)等指令,如与(and)，或(or)，异或(xor)等指令,38/41,主要作用：控制指令的执行流程。,（1）转移指令,程序控制类指令,（2）转子指令与返回指令,转子：即调用，操作码+子程序入口,无条件转移条件转移循环,：操作码+转移地址：操作码+转移地址+转移条件：转移条件为循环计数值,返回：操作码+返回地址（堆栈的顶单元中）,同一条返回指令应能提供多个不同的返回地址（条件返回），,一般用堆栈存放返回地址。,39/41,（3）软中断指令,程序,软中断指令,n表示不同功能号,早期主要用于程序的调试。,现在常常用于系统功能调用。,常以INT n的指令形式出现在程序中。,40/41,如CPU状态字标志位的清楚、修改，空操作指令NOP、暂停HLT、等待WAIT、总线锁定LOCK等。,提供给操作系统专用，如访问系统寄存器、检查保护属性、存储管理等。,控制处理机的专用指令,面向操作系统的指令,41/41,
