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1、第2章 指令系统的设计本章主要内容 (1) 指令操作码的优化（不讲） (2) RISC技术简介 (3) MIPS指令集 (4) MIPS模拟器（补充）2014.2.171计算机系统结构2.4.2 RISC技术简介（P44）名词：RISCReduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机(1)RISC产生的背景：20%与80%规律 (2)RISC设计的基本原则： 只设置最常用的简单指令，凡遇复杂操作均用多条简单指令实现； 指令长度固定，操作码与操作数长度都尽量统一； 基本指令的启动时间间隔降低到1个时钟周期； 访问主存只有load和store指令，用变址寻址；
2、尽量采用硬连逻辑对指令译码； 为了加快执行速度，在编译过程中对目标代码结构进行优化；(3)RISC性能优势的原因采用RISC技术的主要动机是使各条指令的执行时序尽可能一致，CPU在 执行时间上可以把它们安排得更紧凑，就像许多大小相近的箱子容易被堆 放得更密集一样。这样机器内的各种资源可以充分利用，单位时间内能执 行更多的指令，速度更快。这方面的具体内容，在第3章讲流水线时会详细介绍。2014.2.172计算机系统结构2.4.2 RISC技术的发展20世纪70年代初，IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约20%的 指令承担了80%的工作，1974年，他提出RISC的概念。在RISC
3、的早期研究中，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）和斯坦福 大学（Stanford）提出了许多有创见的新思想。伯克利率先在1982年完成 了RISC I型32位芯片的设计，斯坦福大学则在John Hennessy（现任校长） 带领下于1983年完成了第一个采用RISC理念的商用MIPS微处理器。1984年Hennessy等人创建了MIPS计算机公司，1998年改名为MIPS技术 公司（美普思科技公司，MIPS Technologies Inc），目前是美国最著名的 芯片设计公司之一。MIPS技术公司本身不生产微处理器，它只设计高性能 工业级的32位和64位CPU的结构体系，并且向其它半
4、导体公司提供使用其内 核（IP）的授权，用于生产基于MIPS而又各具特色的微处理器。1999年 MIPS技术公司发布了MIPS32和MIPS64架构标准。MIPS的通用微处理器主要用于构建高性能工作站、服务器和超级计算 机系统，其嵌入式产品在1999年以前全球销量第一，目前也仅次于ARM。2014.2.173计算机系统结构 MIPS处理器MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其机制是尽量利用软件办法避免流 水线中的数据相关问题。MIPS具有强大的应用基础，能在MIPS上运行的操作系统，包
5、括Linux、 WindRiver、WinCE、GNU、和Monta Vista等；支持14种编译器，包括MIPS、 SDE、Green Hills、GNU和WindRiver等；支持15种调试器，包括GNU、Green Hills、WindRiver、ASHLING和FS2等；支持18种仿真工具，包括Mentor Graphics、Synopsys、CoWare和Candence等。中国科学院计算所的龙芯1和2都采用64位MIPS指令架构。中国龙芯已与 MIPS公司合作，购买其指令系统授权，以便批量生产与出口。2014.2.174计算机系统结构2.6.1 MIPS的寄存器（P47） 32个6
6、4位通用寄存器（GPRs），也称为整数寄存器 名称是R0，R1，R31（也可写为$0，$1，$31） R0的值永远是0，可用作源寄存器，也可作为无用结果的目的寄存器； R31用于存放跳转并链接类指令的返回地址。 32个64位浮点数寄存器（FPRs） F0，F1，F31 用来存放32个单精度浮点数（32位），也可以用来存放32个双精度浮 点数（64位）。 存储单精度浮点数（32位）时，只用到FPR的一半，其另一半没用。 特殊功能寄存器 PC（program counter，程序计数寄存器） HI（整数乘除结果高位寄存器，除法余数） LO（整数乘除结果低位寄存器，除法的商） 它们可以与通用寄存器交
7、换数据。 浮点状态寄存器：用来保存有关浮点操作结果的信息。2014.2.175计算机系统结构MIPS的寄存器别名（程序员习惯用法）MIPS编译器支持一些专业程序员对32个通用寄存器GPR（GENERAL PURPOSE REGISTER）约定的习惯性用法（非强制的）：REGISTER NAMEUSAGE $0 $zero常量0(constant value 0) $2-$3 $v0-$v1函数调用返回值(values for results and expression evaluation) $4-$7 $a0-$a3函数调用参数(arguments) $8-$15 $t0-$t7暂时的(或
8、随便用的) $16-$23 $s0-$s7保存的(或如果用，需要SAVE/RESTORE的)(saved) $24-$25 $t8-$t9暂时的(或随便用的) $26-$27 $k0-$k1由操作系统的异常或中断处理程序使用 $28 $gp全局指针(Global Pointer) $29 $sp堆栈指针(Stack Pointer) $30 $fp帧指针(Frame Pointer) (BNN：fp is stale acutally, and can be simply used as $t8) $31 $ra返回地址(return address) 2014.2.176计算机系统结构2.6
9、.2 MIPS的数据表示整数 字节（8位） 半字（16位） 字（32位） 双字（64位） 浮点数 单精度浮点数（32位） 双精度浮点数（64位） 字节、半字或者字在装入64位寄存器时，用零扩展或者用符号位扩展来填 充该寄存器的剩余部分。装入以后，对它们将按照64位整数的方式进行运算 。2014.2.177计算机系统结构2.6.3 MIPS的数据寻址方式（P47） 立即数寻址与偏移量寻址；立即数字段和偏移量字段都是16位的。 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的； 16位绝对寻址是通过把R0（其值永远为0）作为基址寄存器来完成的； MIPS的存储器按字节寻址，地址为64位； 所有存储器访问
10、必须是边界对齐的，即访问地址必须是该数据长度（字节 数）的整倍数，又叫整数边界原则； MIPS的存储器按字节编制； 所有数据字、指令字从最高有效位开始依次标记为bit 0、1、2 ； MIPS处理器的存储顺序，可以设置为“小端字节表示顺序”（ Littile-Endian，低位字节放在低地址）或者“大端字节表示顺序”（Big- Endian，高位字节放在低地址，以便适合网络数据包内顺序）。在下文使用的MIPS64模拟器中采用“小端字节表示顺序”。2014.2.178计算机系统结构2.6.4 MIPS指令格式（P48） MIPS32和MIPS64体系结构定义了兼容的32位和64位处理机指令 使用
11、条件编译或宏汇编指令能写出可同时在MIPS32和MIPS64上运行的程序 寻址方式编码到操作码中 所有的指令都是32位的 操作码占6位 3种指令格式（3种格式中，同名字段的位置固定不变）2014.2.179计算机系统结构2.6.4 MIPS指令格式I类指令 包括所有的load和store指令，立即数指令，分支指令，寄存器跳转指令 ，寄存器链接跳转指令。 立即数字段为16位，用于提供立即数或偏移量。 load指令 访存有效地址：Regsrsimmediate从存储器取来的数据放入寄存器rt store指令 访存有效地址：Regsrsimmediate要存入存储器的数据放在寄存器rt中 立即数指令
12、 Regsrt Regsrs op immediate 分支指令 转移目标地址：Regsrsimmediate，rt无用 寄存器跳转、寄存器跳转并链接 转移目标地址为Regsrs2014.2.1710计算机系统结构2.6.4 MIPS指令格式R类指令 包括ALU指令，专用寄存器读/写指令，move指令等。 ALU指令 Regsrd Regsrs funct Regsrtfunct为具体的运算操作编码2014.2.1711计算机系统结构2.6.4 MIPS指令格式J类指令 包括跳转指令，跳转并链接指令，自陷指令，异常返回指令。 在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，它与PC值相加形成跳转的地址
13、 。2014.2.1712计算机系统结构2.6.5 MIPS的操作（P49） MIPS指令可以分为四大类 load和store ALU操作 分支与跳转 浮点操作 符号的意义 xny：从y传送n位到x x，yz：把z传送到x和y 下标：表示字段中具体的位； 对于指令和数据，按从最高位到最低位（即从左到右）的顺序依 次进行编号，最高位为第0位，次高位为第1位，依此类推。 下标可以是一个数字，也可以是一个范围。例如：RegsR40：寄存器R4的符号位 RegsR456-63：R4的最低字节 2014.2.1713计算机系统结构2.6.5 MIPS的操作（续）Mem：表示主存； 按字节寻址，可以传输任
14、意个字节。 上标：用于表示对字段进行复制的次数。 例如：032表示一个32位长的全0字段 符号#：用于两个字段的拼接，并且可以出现在数据传送的任何一边。举例：R8、R6是64位的寄存器，下式 RegsR832-63 32（Mem RegsR60）24 # Mem RegsR6 表示的意义是：以R6的内容作为地址访问内存，得到的字节按符号位扩展为 32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即RegsR80-31）不变。2014.2.1714计算机系统结构 load和store指令指令举例 指令名称 含 义 LD R2，20(R3) 装入双字 RegsR264 Mem20+RegsR3 LW R
15、2，40(R3) 装入字 RegsR264 (Mem40+RegsR30)32 # Mem40+RegsR3 LB R2，30(R3) 装入字节 RegsR264 (Mem30+RegsR30)56 # Mem30+RegsR3 LBU R2，40(R3) 装入无符号字节 RegsR264 056 # Mem40+RegsR3 LH R2，30(R3) 装入半字 RegsR264 (Mem30+RegsR30)48 #Mem30+RegsR3# Mem31+RegsR3 L.S F2，60(R4) 装入单精度浮点数RegsF264 Mem60+RegsR4 # 032 L.D F2，40(R3) 装入双精度浮点数 RegsF264 Mem40+RegsR3 SD R4，300(R5) 保存双字 Mem300+RegsR564 RegsR4 SW R4，300(R5) 保存字 Mem300+RegsR532 RegsR4 S.S F2，40(R2) 保存单精度浮点数Mem40+RegsR232 RegsF2 031 SH R5，502(R4
