体系结构-指令集结构

yuyang911220

一个完整的指令集结构包括

Instuction Fetch

Instuction Decode

Operand Fetch

Excute

Result Store

Next Instruction

我们必须解决的问题包括：

• 指令的编码方式（即如何编码）
• 操作数和操作结构的存放位置
  • 存放位置
  • 多少个现实操作数
  • 存储器操作数如何定位
  • 那些操作数可以或不可以放到存储器中
• 数据的类型和大小
• 支持哪些操作
• 下一条指令的地址
  • jumps,conditions,branches
  • fetch-decode-execute is implicit

• 有关ISA的若干问题
  • 分类
    • 

    • stack	0 address	ADD	tos<---tos+next
      Accumulator	1 address	ADD A	acc<---acc+mem[A]
      	1+x address	ADDX A	acc<---acc+mem[A+x]
      Register-memory	2 address	ADD A B	EA[A]<---EA[A]
      	3 address	add A B C	EA[A]<---EA[B]+EA[C]
      Load-Store	3 address	add  A B C	A<---B+C
      		load A B	A<---mem[B]

    • 通用寄存器型（R-M   R-R）占主导地位
      • 寄存器比存储器更快
      • 对便一起来说寄存器更容易使用
    • 尾端问题
      • • little endian,big endian，在一个字内部的字节顺序问题，例如在地址xxx00指定了一个字（int），存储器中从xxx00连续存放ffff0000，有两种表示方式：
          • 小端方式：xxx00位置是字的最低字节，数值为0000ffff。x86，dec vax，windows NT
          • 大端方式：xxx00位置是字的最高字节，数值为ffff0000。IBM 360/370，Motorola，MIPS
    • 对齐问题
      • 对一个s字节的对象访问，地址为A，如果A mod s ==0，则是边界对齐
      • 这是由于存储器本身的读写要求的。没有对其的对象可能会导致存储器两次读写。
    • 基准测试结果：
      • 偏移寻址、立即数寻址、寄存器寻址方式，其使用频度为75%~99%
      • 偏移字段大小为12~16bits，可满足75%~99%的需求
      • 立即数字段大小为8~16bits，可满足50%~80%的需求

操作数类型和操作数表示
类型：是面向应用、面向软件系统处理的各种操作数据类型。整型、浮点型、字符、字符串、向量类型；类型由操作码确定。
表示：操作数在机器中的表示，硬件结构能够识别，指令系统可以直接使用的表示格式。整型（原码、补码、反码），浮点（IEE 754标准），十进制（BCD码，二进制十进制表示）

• ISA研究的问题
  • ISA的分类
  • 操作数部分
    • 理解存储器地址（尾端+对齐问题）
    • 寻址方式
    • 操作数的类型、表示和大小问题
  • 操作码部分
    • 支持哪些类型的操作
  • 指令格式
• 研究的方法：基于统计的方法
• 结论：
  • 常用的寻址方式：立即数、偏移寻址、寄存器寻址
  • 偏移字段的大小：12~16bits
  • 立即数字段的大小8~16bits
  • 操作数大小：单字、双字的数据访问频率高；64字长更具一般性
• ISA的功能设计
  • 任务：确定硬件支持哪些操作
  • 方法：统计
  • 类型：CICS和RISC
• 控制类指令
  • 条件分支最常见
  • 寻址方式：pc-relative和偏移地址至少8位；即动态的转移地址方式
• CISC
  • 强化指令功能，减少程序中指令条数

RISC计算机指令集结构的功能设计

• 特点：
  • 大多数指令在单周期内完成
  • 采用load、store结构
  • 硬布线控制逻辑
  • 减少指令和寻址方式种类
  • 固定的指令格式
  • 注重代码的优化
  • 面向寄存器结构
  • 重视流水线的执行效率--》尽量减少断流
  • 重视优化编译技术
• RISC为了使流水线高效执行
  • 简单而统一的指令译码
  • 大部分指令可以单周期完成
  • 只有load/store指令访存
  • 简单寻址技术
  • 采用load延迟技术
• 为了便于优化编译产生优化代码
  • 三地址指令格式
  • 较多适量的寄存器
  • 对称的指令格式
• RISC的关键技术
  • 延迟转移技术
  • 指令取消技术
  • 重叠寄存器窗口技术
    • 处理器中设置多个寄存器堆，并划分多个窗口
    • 每个过程使用其中相邻的三个窗口和一个公共的窗口
    • 一个与前一个过程公用；一个与下一个过程公用；一个作为局部寄存器
  • 指令调整技术
  • 硬件为主，固件为辅
• 频率较高的指令：load,store,add,subtract,move register-register,and,shift,compare equal,compare not equal,branch,jump,call,return
• 控制类指令：conditional branch,jump,procedure calls,procedure returns
• 控制类指令的寻址方式：pc-relative
  • 编译时不知道转移地址，程序执行时动态确定
  • 转移地址放到某一寄存器中

• 指令编码方式
  • 长度可变
  • 长度固定
  • 混合
  MIPS寻址方式/指令格式（所有指令都是32bit）
  • 寄存器直接寻址
    • 
  • 立即数寻址
    • 
  • 基址寻址
    • 
  • pc相对寻址
    • 
  • 寄存器间接寻址
    •