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1、计算机体系结构u第第 3 3 周周 第第 1 1 节课节课u授课教师：授课教师： 陈天洲陈天洲u课件下载课件下载 电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲四四. .根据操作种类根据操作种类uCISC (Complex Instruction Set Computer)u增强指令的功能，操作种类多增强指令的功能，操作种类多, 功能强功能强uRISC(Reduced Instruction Set Computer)u简化指令功能，提供最必要的操作简化指令功能，提供最必要的操作, 功能弱功能弱指令系统优化设计的两种截然相反的方向指令系统优化设计的两种截然相反的方向电脑基
2、础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲1. CISC计算机计算机u增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现，这种计算机称为复杂指令集计算令系统来实现，这种计算机称为复杂指令集计算机机u(1) 面向目标程序优化：面向目标程序优化：u缩短程序的长度，减少存储空间开销缩短程序的长度，减少存储空间开销u减少程序的执行时间，减少时间开销减少程序的执行时间，减少时间开销u方法：方法： 使用频度高、执行时间长的指令串用硬件实现使用频度高、执行时间
3、长的指令串用硬件实现- 一条新指令一条新指令电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲例如：例如：u增强数据传送指令的功能增强数据传送指令的功能(矩阵矩阵.字符串字符串.向量向量.十进制）十进制）OPC L B1 D1 B2 D2 L IC CISC, 30%-40%uCCRISC CCCISC，uC P IRI SC CPIC ISC 差 距 在 缩 小超标量、超流水线、VLIW等系统结构， 目标在于减小CPI， 可使CPI1电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲RISC关键技术关键技术：u延时转移技术延时转移技术u指令取消技术指令取消
4、技术u重叠寄存器窗口技术重叠寄存器窗口技术u指令流调整技术指令流调整技术u硬件为主，固件为辅硬件为主，固件为辅电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲RISC对编译技术的影响对编译技术的影响u好的方面：好的方面：u省去类似功能指令的选择省去类似功能指令的选择u省去是否生成访存指令的选择工作省去是否生成访存指令的选择工作u为优化编译器调整指令顺序提供方便为优化编译器调整指令顺序提供方便u坏的方面：坏的方面：u寄存器分配算法寄存器分配算法u数据和控制相关性分析数据和控制相关性分析u要设计复杂的子程序库要设计复杂的子程序库电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学
5、石教英 陈天洲主讲.3.3寻址技术寻址技术u编址方式编址方式u编址单位：字、字节、位编址单位：字、字节、位字：实现容易，但不支持非数值计算字：实现容易，但不支持非数值计算字节：最普遍，但有数据存放与对齐问题字节：最普遍，但有数据存放与对齐问题位：可变字长运算，地址信息浪费量大位：可变字长运算，地址信息浪费量大u编址空间编址空间u通用寄存器、主存、通用寄存器、主存、I/O设备分别编址设备分别编址u通用寄存器、主存和通用寄存器、主存和I/O设备统一编址设备统一编址u所有存储设备统一编址所有存储设备统一编址电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲存储器寻址方式存储器寻址方
6、式小端收尾小端收尾(little endian)Intel大端收尾大端收尾(big endian)IBM.Motorola一一. . 单元地址内编码方式单元地址内编码方式地址如何解释地址如何解释电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲二二. . 边界对齐问题边界对齐问题u对齐访问地址对齐访问地址u 字节字节 XXXXXXXXXXXu 半字半字 XXXXXXXXXX 0u 字字 XXXXXXXXX 0 0u 双字双字 XXXXXXXX 0 0 0 u不对齐访问不对齐访问 CPU32位存储总线位存储总线电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲
7、u对齐网络对齐网络u外部对齐外部对齐和外部器件交换和外部器件交换时的数据对齐关系时的数据对齐关系u内部对齐内部对齐内部数据总线和内部数据总线和寄存器之间的数据对齐关系寄存器之间的数据对齐关系寄存器寄存器数据总线数据总线电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲三、寻址方式三、寻址方式u种类种类u寄存器寻址寄存器寻址Add R4, R3u立即数立即数 Add R4, #3u位移寻址（基址）位移寻址（基址） Add R4, 100(R1)u索引（变址）索引（变址） Add R3, (R1+R2)u寄存器间接寻址寄存器间接寻址 Add R4, (R1)u直接寻址（绝对）直接
8、寻址（绝对） Add R1, (1000)u存储器间接寻址存储器间接寻址 Add R1, (R3)u自增自减寻址自增自减寻址 Add R1, (R2)+u比例寻址比例寻址 Add R1,100(R2)R3电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲u测量统计数据测量统计数据u、确定使用哪几种寻址模式、确定使用哪几种寻址模式图图2-1 寻址模式使用频度统计寻址模式使用频度统计在存储器寻址方式中最常用的是在存储器寻址方式中最常用的是位移寻址位移寻址立即数寻址立即数寻址寄存器间接寻址寄存器间接寻址寄存器寻址约占寄存器寻址约占电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石
9、教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲u、确定位移量域段大小、确定位移量域段大小图图2-2各偏移量数值的使用频度各偏移量数值的使用频度位移所需位数：位移所需位数：电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲u确定那些指令提供立即数寻址确定那些指令提供立即数寻址u图图2-3 各各 类类 指指 令令 使使 用用 立立 即即 数数 的的 频频 度度整数整数(58%78%)整数比较整数比较(77%87%)立即数位立即数位50%70%立即数位立即数位75%80%、立即
10、数寻址、立即数寻址u立即数域段的大小立即数域段的大小u图图2-4各种长度立即数的使用频度各种长度立即数的使用频度电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲四、小结四、小结u至少提供种存储器寻址模式至少提供种存储器寻址模式u位移量域段的位数：位位移量域段的位数：位u立即数域段的位数：位立即数域段的位数：位电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲. .操作的选择操作的选择u基本指令：供用户使用的最常用的指令基本
11、指令：供用户使用的最常用的指令u算术逻辑运算类、数据传输类、控制类算术逻辑运算类、数据传输类、控制类u专用指令：针对特殊应用领域需要而设计专用指令：针对特殊应用领域需要而设计的指令。的指令。u如浮点指令（科学计算），十进制指令如浮点指令（科学计算），十进制指令（商用），字符串指令（事务），图象指令（商用），字符串指令（事务），图象指令u特权指令：仅供系统操作员使用的指令特权指令：仅供系统操作员使用的指令u如虚存管理、系统调用如虚存管理、系统调用一、一、指令操作种类指令操作种类电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲确定提供指令种类确定提供指令种类u设计原则设计原则
12、最频繁使用指令，也即最简单的指令最频繁使用指令，也即最简单的指令u测量统计数据测量统计数据 用基准测试程序测量各种指令使用频度用基准测试程序测量各种指令使用频度电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲二、控制类指令二、控制类指令u无条件转移无条件转移 jumpu条件转移条件转移 branchu过程调用过程调用 callu过程返回过程返回 return 图图2-6 转移指令的使用频度转移指令的使用频度电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲1.转移目标地址的说明转移目标地址
13、的说明u PC相对寻址相对寻址u距当前指令近，位移量小距当前指令近，位移量小u位置无关性位置无关性u寄存器间接寻址（其他寻址方式）寄存器间接寻址（其他寻址方式）u case/switchu动态共享库函数动态共享库函数u虚函数虚函数电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲2、确定偏移量长度、确定偏移量长度u图图2-7 转移地址与目标地址距离分布转移地址与目标地址距离分布u绝大部分位移量在绝大部分位移量在27位，位，=50%的整数比较是的整数比较是“=0”简单比较简单比较可设特殊的可设特殊的branch指令，一条指令既指令，一条指令既完成比较，又做转移完成比较，又做转移
14、u有些机器就设置一些指令：比较并转移指令有些机器就设置一些指令：比较并转移指令电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲5.条件转移成功率的分析条件转移成功率的分析u约约75%是正向转移（偏移量是正向转移（偏移量=0）u条件转移成功率条件转移成功率 = 65%u反向转移成功率高反向转移成功率高 loop转移成功率可达转移成功率可达90%u正向转移成功率低（约正向转移成功率低（约40%）优化编译优化编译电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲三、三、call call 和和r
15、eturnreturnu状态保护（至少保存返回地址）状态保护（至少保存返回地址）u保护寄存器保护寄存器u提供硬件机制提供硬件机制u由编译器产生保护寄存器的指令由编译器产生保护寄存器的指令ucaller-saving: 先保护后调用先保护后调用ucallee-saving:先调用后保护先调用后保护u所以很多编译器都采用将所以很多编译器都采用将caller-save所有变量所有变量电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲四、小结四、小结u优先考虑最常用指令：优先考虑最常用指令：Load、store、add、sub、move R-R、and、shift、branch等等u条件转移：偏移量约条件转移：偏移量约 100=27 PC相对转移：位移量相对转移：位移量bituJump指令（支持指令（支持return）：寄存器间接）：寄存器间接寻址、寻址、PC相对寻址相对寻址电脑基础知识计算机体系结构 week3 浙江大学 石教英 陈天洲主讲
