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1、2014.2.17,計算機系統結構,1,第2章 指令系統的設計,本章主要內容 (1) 指令操作碼的優(yōu)化（不講） (2) RISC技術簡介 (3) MIPS指令集 (4) MIPS模擬器（補充）,2014.2.17,計算機系統結構,2,2.4.2 RISC技術簡介（P44）,名詞：RISCReduced Instruction Set Computing，精簡指令集計算機 (1)RISC產生的背景：20%與80%規(guī)律 (2)RISC設計的基本原則： 只設置最常用的簡單指令，凡遇復雜操作均用多條簡單指令實現； 指令長度固定，操作碼與操作數長度都盡量統一； 基本指令的啟動時間間隔降低到1個時鐘周期；
2、 訪問主存只有l(wèi)oad和store指令，用變址尋址； 盡量采用硬連邏輯對指令譯碼； 為了加快執(zhí)行速度，在編譯過程中對目標代碼結構進行優(yōu)化； (3)RISC性能優(yōu)勢的原因 采用RISC技術的主要動機是使各條指令的執(zhí)行時序盡可能一致，CPU在執(zhí)行時間上可以把它們安排得更緊湊，就像許多大小相近的箱子容易被堆放得更密集一樣。這樣機器內的各種資源可以充分利用，單位時間內能執(zhí)行更多的指令，速度更快。 這方面的具體內容，在第3章講流水線時會詳細介紹。,2014.2.17,計算機系統結構,3,2.4.2 RISC技術的發(fā)展,20世紀70年代初，IBM研究中心的John Cocke證明，計算機中約20%的指令承
3、擔了80%的工作，1974年，他提出RISC的概念。 在RISC的早期研究中，加州大學伯克利分校（UC Berkeley）和斯坦福大學（Stanford）提出了許多有創(chuàng)見的新思想。伯克利率先在1982年完成了RISC I型32位芯片的設計，斯坦福大學則在John Hennessy（現任校長）帶領下于1983年完成了第一個采用RISC理念的商用MIPS微處理器。 1984年Hennessy等人創(chuàng)建了MIPS計算機公司，1998年改名為MIPS技術公司（美普思科技公司，MIPS Technologies Inc），目前是美國最著名的芯片設計公司之一。MIPS技術公司本身不生產微處理器，它只設計高性
4、能工業(yè)級的32位和64位CPU的結構體系，并且向其它半導體公司提供使用其內核（IP）的授權，用于生產基于MIPS而又各具特色的微處理器。1999年MIPS技術公司發(fā)布了MIPS32和MIPS64架構標準。 MIPS的通用微處理器主要用于構建高性能工作站、服務器和超級計算機系統，其嵌入式產品在1999年以前全球銷量第一，目前也僅次于ARM。,2014.2.17,計算機系統結構,4,MIPS處理器,MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。 M
5、IPS具有強大的應用基礎，能在MIPS上運行的操作系統，包括Linux、WindRiver、WinCE、GNU、和Monta Vista等；支持14種編譯器，包括MIPS、SDE、Green Hills、GNU和WindRiver等；支持15種調試器，包括GNU、Green Hills、WindRiver、ASHLING和FS2等；支持18種仿真工具，包括Mentor Graphics、Synopsys、CoWare和Candence等。 中國科學院計算所的龍芯1和2都采用64位MIPS指令架構。中國龍芯已與MIPS公司合作，購買其指令系統授權，以便批量生產與出口。,2014.2.17,計算機
6、系統結構,5,2.6.1 MIPS的寄存器（P47）,32個64位通用寄存器（GPRs），也稱為整數寄存器 名稱是R0，R1，，R31（也可寫為$0，$1，，$31） R0的值永遠是0，可用作源寄存器，也可作為無用結果的目的寄存器； R31用于存放跳轉并鏈接類指令的返回地址。 32個64位浮點數寄存器（FPRs） F0，F1，，F31 用來存放32個單精度浮點數（32位），也可以用來存放32個雙精度浮點數（64位）。 存儲單精度浮點數（32位）時，只用到FPR的一半，其另一半沒用。 特殊功能寄存器 PC（program counter，程序計數寄存器） HI（整數乘除結果高位寄存器，除法余數）
7、 LO（整數乘除結果低位寄存器，除法的商） 它們可以與通用寄存器交換數據。 浮點狀態(tài)寄存器：用來保存有關浮點操作結果的信息。,2014.2.17,計算機系統結構,6,MIPS的寄存器別名（程序員習慣用法）,MIPS編譯器支持一些專業(yè)程序員對32個通用寄存器GPR（GENERAL PURPOSE REGISTER）約定的習慣性用法（非強制的）： REGISTER NAMEUSAGE $0 $zero常量0(constant value 0) $2-$3 $v0-$v1函數調用返回值(values for results and expression evaluation) $4-$7 $a0-$
8、a3函數調用參數(arguments) $8-$15 $t0-$t7暫時的(或隨便用的) $16-$23 $s0-$s7保存的(或如果用，需要SAVE/RESTORE的)(saved) $24-$25 $t8-$t9暫時的(或隨便用的) $26-$27 $k0-$k1由操作系統的異?；蛑袛嗵幚沓绦蚴褂?$28 $gp全局指針(Global Pointer) $29 $sp堆棧指針(Stack Pointer) $30 $fp幀指針(Frame Pointer) (BNN：fp is stale acutally, and can be simply used as $t8) $31 $ra返回
9、地址(return address),2014.2.17,計算機系統結構,7,2.6.2 MIPS的數據表示,整數 字節(jié)（8位） 半字（16位） 字（32位） 雙字（64位） 浮點數 單精度浮點數（32位） 雙精度浮點數（64位） 字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時，用零擴展或者用符號位擴展來填充該寄存器的剩余部分。裝入以后，對它們將按照64位整數的方式進行運算。,2014.2.17,計算機系統結構,8,2.6.3 MIPS的數據尋址方式（P47）,立即數尋址與偏移量尋址； 立即數字段和偏移量字段都是16位的。 寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實現的； 16位絕對尋址是通過把R0（其值永
10、遠為0）作為基址寄存器來完成的； MIPS的存儲器按字節(jié)尋址，地址為64位； 所有存儲器訪問必須是邊界對齊的，即訪問地址必須是該數據長度（字節(jié)數）的整倍數，又叫整數邊界原則； MIPS的存儲器按字節(jié)編制； 所有數據字、指令字從最高有效位開始依次標記為bit 0、1、2 ； MIPS處理器的存儲順序，可以設置為“小端字節(jié)表示順序”（ Littile-Endian，低位字節(jié)放在低地址）或者“大端字節(jié)表示順序”（Big-Endian， 高位字節(jié)放在低地址，以便適合網絡數據包內順序）。在下文使用的 MIPS64模擬器中采用“小端字節(jié)表示順序”。,2014.2.17,計算機系統結構,9,2.6.4 MI
11、PS指令格式（P48）,MIPS32和MIPS64體系結構定義了兼容的32位和64位處理機指令 使用條件編譯或宏匯編指令能寫出可同時在MIPS32和MIPS64上運行的程序 尋址方式編碼到操作碼中 所有的指令都是32位的 操作碼占6位 3種指令格式（3種格式中，同名字段的位置固定不變）,2014.2.17,計算機系統結構,10,2.6.4 MIPS指令格式I類指令,包括所有的load和store指令，立即數指令，分支指令，寄存器跳轉指令，寄存器鏈接跳轉指令。 立即數字段為16位，用于提供立即數或偏移量。 load指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 從存儲器取來的數據放
12、入寄存器rt store指令 訪存有效地址：Regsrsimmediate 要存入存儲器的數據放在寄存器rt中 立即數指令 Regsrt Regsrs op immediate 分支指令 轉移目標地址：Regsrsimmediate，rt無用 寄存器跳轉、寄存器跳轉并鏈接 轉移目標地址為Regsrs,2014.2.17,計算機系統結構,11,2.6.4 MIPS指令格式R類指令,包括ALU指令，專用寄存器讀/寫指令，move指令等。 ALU指令 Regsrd Regsrs funct Regsrt funct為具體的運算操作編碼,2014.2.17,計算機系統結構,12
13、,2.6.4 MIPS指令格式J類指令,包括跳轉指令，跳轉并鏈接指令，自陷指令，異常返回指令。 在這類指令中，指令字的低26位是偏移量，它與PC值相加形成跳轉的地址。,2014.2.17,計算機系統結構,13,2.6.5 MIPS的操作（P49）,MIPS指令可以分為四大類 load和store ALU操作 分支與跳轉 浮點操作 符號的意義 xny：從y傳送n位到x x，yz：把z傳送到x和y 下標：表示字段中具體的位； 對于指令和數據，按從最高位到最低位（即從左到右）的順序依次進行編號，最高位為第0位，次高位為第1位，依此類推。 下標可以是一個數字，也可以是一個范圍。 例如：RegsR40：
14、寄存器R4的符號位 RegsR456-63：R4的最低字節(jié),2014.2.17,計算機系統結構,14,2.6.5 MIPS的操作（續(xù)）,Mem：表示主存； 按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個字節(jié)。 上標：用于表示對字段進行復制的次數。 例如：032表示一個32位長的全0字段 符號##：用于兩個字段的拼接，并且可以出現在數據傳送的任何一邊。 舉例：R8、R6是64位的寄存器，下式 RegsR832-63 32（Mem RegsR60）24 ## Mem RegsR6 表示的意義是：以R6的內容作為地址訪問內存，得到的字節(jié)按符號位擴展為32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即RegsR80-3
15、1）不變。,2014.2.17,計算機系統結構,15,load和store指令,2014.2.17,計算機系統結構,16,ALU指令,寄存器寄存器型（RR型）指令或立即數型 算術和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等 R0的值永遠是0，它可以用來合成一些常用的操作。 例如：DADDIU R1，R0，#100 給寄存器R1裝入常數100 DADD R1，R0，R2 把寄存器R2中的數據傳送到寄存器R1,2014.2.17,計算機系統結構,17,2.6.6 MIPS的控制指令（P50）,由一組跳轉和一組分支指令來實現控制流的改變 典型的MIPS控制指令,2014.2.17,計算機系統結構,1
16、8,跳轉指令,根據跳轉指令確定目標地址的方式不同以及跳轉時是否鏈接，可以把跳轉指令分成4種。 確定目標地址的方式 把指令中的26位偏移量左移2位（因為指令字長都是4個字節(jié)）后，替換程序計數器的低28位； 間接跳轉：由指令中指定的一個寄存器來給出轉移目標地址。 跳轉的兩種類型 簡單跳轉：把目標地址送入程序計數器。 跳轉并鏈接：把目標地址送入程序計數器，把返回地址（即順序下一條指令的地址）放入寄存器R31。,2014.2.17,計算機系統結構,19,分支指令（條件轉移）,分支條件由指令確定 例如：測試某個寄存器的值是否為零 提供一組比較指令，用于比較兩個寄存器的值。 例如：“置小于”指令 有的分支
17、指令可以直接判斷寄存器內容是否為負，或者比較兩個寄存器是否相等。 分支的目標地址 由16位帶符號偏移量左移兩位后和PC相加的結果來決定 一條浮點條件分支指令：通過測試浮點狀態(tài)寄存器來決定是否進行分支。,2014.2.17,計算機系統結構,20,2.6.7 MIPS的浮點操作（P51）,由操作碼指出操作數是單精度（SP）或雙精度（DP） 后綴S：表示操作數是單精度浮點數 后綴D：表示是雙精度浮點數 浮點操作 包括加、減、乘、除，分別有單精度和雙精度指令。 浮點數比較指令 根據比較結果設置浮點狀態(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）測試該位，以決定是
18、否進行分支。,2014.2.17,計算機系統結構,21,注意浮點數的存儲格式只有64位雙精度這一種，沒有32位單精度數。,MIPS64偽指令,2014.2.17,計算機系統結構,22,MIPS64指令集1,2014.2.17,計算機系統結構,23,MIPS64指令集2,2014.2.17,計算機系統結構,24,MIPS64指令集3,2014.2.17,計算機系統結構,25,MIPS64指令集4,2014.2.17,計算機系統結構,26,MIPS64指令集5,2014.2.17,計算機系統結構,27,MIPS64指令集6,2014.2.17,計算機系統結構,28,MIPS64模擬器介紹1,201
19、4.2.17,計算機系統結構,29,MIPS64模擬器介紹2,2014.2.17,計算機系統結構,30,MIPS64模擬器介紹3,2014.2.17,計算機系統結構,31,MIPS64模擬器的存儲器映射I/O地址與命令,CONTROL: .word32 0 x10000;控制寄存器（映射地址） DATA: .word32 0 x10008;數據寄存器（映射地址） Set CONTROL = 1, 將DATA作為無符號整型數輸出 Set CONTROL = 2, 將DATA作為有符號整型數輸出 Set CONTROL = 3, 將DATA作為浮點數輸出 Set CONTROL = 4, 將DAT
20、A作為輸出字串的首地址 Set CONTROL = 5, 將DATA+5 作為x坐標，DATA+4作為y坐標，DATA作為RGB彩色值輸出 Set CONTROL = 6, 清除終端屏幕 Set CONTROL = 7, 清除圖形屏幕 Set CONTROL = 8, 從鍵盤讀DATA（整型數或浮點數） Set CONTROL = 9, 從DATA讀1字節(jié)，無字符回顯,數據地址,0 x00000,,程序存儲器,程序起點,,lwu r24,DATA(r0),lwu r25,CONTROL(r0),指令地址,0 x00000,,,,數據存儲器,常規(guī)數據區(qū),,0 x10000,0 x10008,sd
21、 r9,0(r24),sd r2,0(r25),,,控制寄存器,數據寄存器,,,,,,,,,,,,,仿真非智能終端,2014.2.17,計算機系統結構,32,MIPS64模擬器演示實驗1 整數加法,文件名：sum.s .data A: .word 10 B: .word 8 C: .word 0 .text main: ld r4,A(r0);r4(A) ld r5,B(r0);r5(B) dadd r3,r4,r5;r3r4+r5 sd r3,C(r0);Cr3 halt,2014.2.17,計算機系統結構,33,MIPS64模擬器演示實驗2 階乘1,文件名：factorial.
22、s ; ; 階乘示例 ; 返回值放r10 ; .data number: .word 10;此數未用，可能想作為輸入值的上限 title: .asciiz “factorial program n= “;提示字符串 CONTROL: .word32 0 x10000 DATA: .word32 0 x10008 .text lwu r21,CONTROL(r0);r21指向CONTROL單元（端口） lwu r22,DATA(r0);r22指向DATA單元（端口）,2014.2.17,計算機系統結構,34,MIPS64模擬器演示實驗2 階乘2,daddi r24,r0,4;輸出as
23、cii字串（提示信息） daddi r1,r0,title sd r1,(r22) sd r24,(r21) daddi r24,r0,8;從鍵盤讀輸入值到r1（整型量） sd r24,(r21) ld r1,(r22) start: daddi r29,r0,0 x80;r29指向堆棧區(qū)起點（十進制值=128） jal factorial;調階乘子程序，返回值在r10（整型量） daddi r24,r0,1;輸出r10的結果 sd r10,(r22) sd r24,(r21) halt;停機,2014.2.17,計算機系統結構,35,MIPS64模
24、擬器演示實驗2 階乘3,; ;階乘子程序，入口參數在r1，返回值在r10 ; factorial: slti r10,r1,2;如果r1<2（即r1=1）則r101，否則r100 bnez r10,out ;如果r10=1則子程序返回 sd r31,(r29);子程序返回地址壓進堆棧 daddi r29,r29,8;堆棧指針+8 sd r1,(r29);r1當前值壓進堆棧 daddi r29,r29,8;堆棧指針+8 daddi r1,r1,-1;r1r11 jal factorial;遞歸調用，將乘數序列依次入棧（n，3，2）,2014.2.17,計算機系統結構,
25、36,MIPS64模擬器演示實驗2 階乘4,dadd r4,r0,r10;遞歸出口（首次r10=1），r4r10 daddi r29,r29,-8;堆棧指針8 ld r3,(r29);出棧：r3棧頂單元 dmulu r3,r3,r4;r3r3r4 dadd r10,r0,r3;r10乘積r3 daddi r29,r29,-8;堆棧指針8 ld r31,0(r29);r31返回地址 out: jr r31;子程序返回到r31所指的地址,2014.2.17,計算機系統結構,37,MIPS64模擬器演示實驗3 存儲器映射輸出,文件名：output.s .data A:.wor
26、d 10 B:.word 8 C:.word 0 CR:.word32 0 x10000 DR:.word32 0 x10008 .text main: ld r4,A(r0);r4(A) ld r5,B(r0);r5(B) dadd r3,r4,r5;r3r4+r5 sd r3,C(r0);Cr3 lwu r1,CR(r0);r1指向Control寄存器 lwu r2,DR(r0);r2指向Data寄存器 daddi r10,r0,1;準備命令1（將DATA作為無符號整型數輸出） sd r3,(r2);Data寄存器r3 sd r10,(r1);Control寄存器1 halt,2014.2
27、.17,計算機系統結構,38,MIPS64模擬器演示實驗4存儲器映射輸入/輸出,數據地址,0 x00000,,程序存儲器,程序起點,,lwu r24,DATA(r0),lwu r25,CONTROL(r0),指令地址,0 x00000,,,,數據存儲器,常規(guī)數據區(qū),,0 x10000,0 x10008,sd r9,0(r24),sd r2,0(r25),,,控制寄存器,數據寄存器,,,,,,,,,,,,,仿真非智能終端,文件名：testio.s 向虛擬終端輸出字符串（命令4）、畫線、畫彩色點（命令5）。 CONTROL: .word32 0 x10000 DATA: .word32 0 x
28、10008 .text lwu $t8,DATA($zero); $t8 = address of DATA register lwu $t9,CONTROL($zero); $t9 = address of CONTROL register daddi $v0,$zero,1; set for unsigned integer output ld $t1,int($zero) sd $t1,0($t8) ; write integer to DATA register sd $v0,0($t9) ; write
29、 to CONTROL register and make it happen daddi $v0,$zero,2; set for signed integer output ld $t1,int($zero) sd $t1,0($t8) ; write integer to DATA register sd $v0,0($t9) ; write to CONTROL register and make it happen,2014.2.17,計算機系統結構,39,習題2.14（補充，MIPS64指令系統練習）,人工模擬以下MIPS程序的單條指
30、令運行方式，在表中用16進制編碼記錄每一步產生的結果（不得借助模擬軟件）。 .data n: .word 3 x: .double 0.5 .text LD R1, n(R0) L.D F0, x(R0) DADDI R2, R0, 1 ; R2 1 MTC1 R2, F11 ; F11 1 CVT.D.L F2, F11 ; F2 1 loop: MUL.D F2, F2, F0 ; F2 F2*F0 DADDI R1, R1, -1 ; decrement R1 by 1 BNEZ R1, loop ; if R10 continue HALT ; 此條不填
31、表 提示：MIPS浮點數的格式是IEEE754,2014.2.17,計算機系統結構,40,習題2.14（補充）續(xù),2014.2.17,計算機系統結構,41,實驗1：WinMIPS64模擬器練習,實驗要求：用MIPS64指令編寫一個盡可能短小的程序，將事先存放在數據區(qū)的4字節(jié)字符串（例如“3901”）轉換為一個4位BCD整數，賦給R9。在WinMIPS64模擬器調試通過。 實驗報告： (1) 程序清單； (2) 運行結果（每輪循環(huán)末尾R9的數值，高位的0可以不寫） (3) 程序效率,2014.2.17,計算機系統結構,42,IEEE 754浮點數標準（補充）,目前國際上流行的浮點數標準是IEE
32、E 754，其基本組成是32bit單精度、64bit雙精度兩種類型。 IEEE 754標準的主要起草者是加州大學伯克利分校數學系教授William Kahan，他幫助Intel公司設計了8087浮點處理器（FPU），并以此為基礎形成了IEEE 754標準，Kahan教授也因此獲得了1987年的圖靈獎。目前幾乎所有包含浮點運算的處理機都宣稱支持IEEE 754標準，包括Intel公司的Pentium、中國的“龍芯”。 IEEE 754的標準文件是ANSI/IEEE Std 754-1985IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic，通
33、過Google可搜到pdf文件下載。 Kahan教授的主頁：http://www.cs.berkeley.edu/wkahan/。,2014.2.17,計算機系統結構,43,在IEEE 754浮點數國際標準中，32位單精度浮點數和64位雙精度浮點數的格式分別如下： 對于單精度浮點數，階碼用移-127碼表示，即階碼的0255分別表示階碼的真值為-127128。尾數（原碼）用1位符號位、23位小數和1位隱藏的整數共25位表示。尾數的基值和階碼的基值都是2。 當0
34、014.2.17,計算機系統結構,44,IEEE 754浮點數標準（續(xù)2）,當e=255，且m0時，表示一個非數NaN(Not-a-Number)。NaN可能是在許多非確定的情況下，如零除以零、求負數的平方根等產生的結果。 當e=255，且m=0時，表示一個無窮數：N=(-1)s。注意+和-的表示是不同的。 當e=0，且m0時，表示規(guī)格化浮點數：N=(-1)s2-126(0.m)。 當e=0，且m=0時，表示浮點數零：N=(-1)s0。注意+0與-0的表示是不同的。 對于64位雙精度浮點數，階碼用移-1023碼表示，其他規(guī)定與單精度浮點數類似。,2014.2.17,計算機系統結構,45,各次作業(yè)應交的內容,作業(yè)2（第2次課）,2.14(補充)，實驗1,
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