CA3 指令集体系结构

机器指令

包含：存储地址、寄存器地址、立即数

• 操作码 opcode
  • 操作内容 add，mult
  • 操作数 int，fp
• 操作数 operand
  • 位置（寄存器或储存器）
  • 操作数个数不定（1个或2个）

指令运行

• PC 存放的当前执行的指令在内存中的地址（32bit or 64bit）
• PC 输出到指令存储器 IM（只读）
• IM 传到 IR
• IR 译码器 到 通用寄存器 GPRs
• GPRs 包含 rs1->rd1 rs2->rd2 ws wd
• 输出到 A B 两个寄存器，通过 MUX 选择输出到 ALU
• ALU 运算输出结果，可以写到 DM 中，也可以写入 寄存器 wd 中

定义

• 是软件和硬件之间的边界
• 是程序员或编译器所见到的计算机
• 在某种意义上，是由一组所使用的汇编语言及它们所完成的工作来定义的

指令集体系结构里包含的基本内容

寄存器、存储器寻址和寻址方式、指令操作数、有效操作、控制流指令、指令编码……

设计目标

较短的指令宽度

• 最小化指令宽度，从而最小化程序长度

较好的指令密度（完成一件事情需要的指令数要少）

• 最小化指令数目，从而最小化程序长度

快速的指令操作

• 如：add (100) (200) (300) 执行的时间比 add r1 r2 r3 要长

简单的电路实现

优化的编译器

指令集体系结构类型

• 堆栈型（Stack）（早期）
  • 所有操作数都来自堆栈
• 累加器型（Accumulator）
  • 一个操作数在累加器中，另一个操作数必须显式地引用
• 寄存器型（Register）（现在主要使用）
  • 所有操作数必须显式地引用
  • 操作数可以存储在寄存器或存储器中

寄存器型指令集体系结构

• 操作数必须有明显的操作数格式
  • 寄存器在 CPU 内部
• 指令集体系结构提供
  • LOAD 存储器 -> 寄存器
  • STORE 寄存器 -> 存储器
• 这种体系结构也被称为通用寄存器 General-Purpose Register 指令集体系结构
• 分为三种类型
  • 寄存器-存储器 ISA
  • 寄存器-寄存器 ISA（装入-存储 ISA）——现代 CPU 常用结构
  • 存储器-存储器 ISA——废弃

寄存器-寄存器 ISA

• 特殊指令访问存储器：LOAD、STORE
• 基本运算步骤
  • 从存储器装入第一个操作数到寄存器中
  • 从存储器装入第二个操作数到寄存器中
  • 在 ALU 中完成运算操作
  • 如果需要，将操作结构存储到存储器中
• 两个操作数和结果的位置都需要显式地引用

寄存器数目

• 现代指令集体系结构倾向于拥有更多的寄存器
• 拥有更多的寄存器使得编译器拥有更多的机会来提高效率
• 通常，编译器预留一些寄存器用于特殊目的
  • 保留函数调用的参数
  • 帮助表达式求值
• 剩余的寄存器用于保存程序变量

存储器寻址

• ISA 必须定义存储器的寻址方式

  • 如何解释
  • 如何在指令中说明

• 绝大多数的存储器寻址采用字节地址

  • 能够寻址的最小存储器片段是一个字节

  • 意味着每个字节拥有一个使用二进制串表示的地址

• 通常，ISA 可以访问

  • 字节 8bit
  • 半字 16bit
  • 字 32bit
  • 双字 64bit

存储对齐

• 当大多数计算机访问大于一个字节的对象时，往往必须对齐

• 定义：如果访问对象地址是对象长度 S 的倍数时，称问访问对象是对齐的

  ​ $(objects’s\ address)\ mod\ S=0$

• 例如

  • 在000000 访问一个 byte 是对齐的
  • 在000001 访问一个 半字 是未对齐的

字节顺序

• 在半字、字和双字内的字节存在着两种约定
  • 小端法 0x0000 的字节放的最低有效位
  • 大端法 0x0000 的字节放的最高有效位
• 某些体系结构可以通过设置来决定采用哪种字节顺序
• 在绝大多数情况下不必关系字节顺序问题，但
  • 当以双字和字节方式访问相同存储位置时，可能出现问题
  • 当在计算机之间交换数据时，可能出现问题

寻址方式

寄存器寻址（直接写寄存器号得到寄存器的内容）

立即数寻址（立即数前加个#）

位移寻址（寄存器内容加上外部偏移量寻址）

寄存器间接寻址（将寄存器的内容作为地址来寻址）

索引寻址（两寄存器内容之和作为内存地址）

直接寻址（mem[100]，直接写死地址）

存储器间接寻址（寄存器的内容作为mem地址进行寻址，再将这个mem读出的值作为地址来寻址，mem[mem[regs[R3]]]）

自动增/减量寻址（寄存器简介寻址后该寄存器的值自增/减）

比例寻址（mem[100+regs[R2]+regs[R3]*d]）

基准程序中各种寻址方式的频度

略

选择寻址方式：平衡

• 寻址方式的选择

  • 一些 ISA 选择所有的寻址方式，如 WAX
  • 另一些 ISA 只使用少数几种寻址方式，如 MIPS

• 平衡因素

  • 寻址方式越多，IC（指令数） 越低
  • 寻址方式越多，硬件越复杂
  • 寻址方式越多，CPI（指令周期数） 越高

• 目标：平衡

  • 简化硬件
  • 拥有足够的寻址方式，以至于书写代码不会太痛苦

选择位移范围

• 权衡考虑
  • 位移最大值越大，指令使用范围越广
  • 位移最大值越小，指令编码越短

操作数类型和大小

• 字符 1byte
• 半字 2byte
• 字 4byte
• 单精度浮点和长整数 4byte
• 双精度浮点 8byte

各种类型操作

• 算术和逻辑（通用）

  • 整数加减乘除、与或运算

• 数据传输（通用）

  • 装入、存储

• 控制（通用）

  • 分支、跳转、过程调用和返回、陷阱

• 系统（可变）

  • 操作系统调用、管理虚拟内存指令

• 浮点数（可选）

  • 加减乘、比较

• 字符串（可选）

  • 字符串比较、字符串搜索

• 图形（可选）

  • 像素点和顶点操作，压缩与解压操作

指令编码

• 关键考虑因素

  • 拥有更多的寄存器和寻址方式，会造成较长的指令代码
  • 期望降低平均指令代码长度和平均程序长度
  • 期望指令能够容易且快速译码

• 指令编码方法

  • 可变格式（满足前二）
  • 固定格式（满足第三）
  • 混合格式（尝试达到平衡）

• 可变的，如 intel 的 VAX；固定的，如 RISC-V，ARM，MIPS，PowerPC，SPARC；混合的

编译优化

• 高层优化
  • 针对源代码进行，可能是源到源的转换
  • 如：为了 cache 有效性来映射数据，除去条件等
• 局部优化
  • 在较短的直线段源代码中优化代码
• 全局优化
  • 跨过分支指令进行优化，循环优化（循环展开）
• 寄存器分配
  • 寄存器赋初值

CISC vs RISC

• 谬误：“简约指令集”并不意味着指令数目少
• RISC 的关键
  • 寄存器中完成操作
  • 使用 LOAD 和 STORE 指令完成寄存器和存储器之间的通信
  • 代码是由一系列简单操作实现的
• 注解：当代码量是关键因素时，RISC 并不是一个好的选择