计算机组成原理-L02-ISA

本文最后更新于：9 个月前

计算机组成与实践 -指令集体系结构（ISA）

֍ISA简介

什么是指令集体系结构（ISA）？

指令（Instruction）
计算机语言中的基本单词称为指令。
指令集（Instruction Set）
一台计算机的全部指令称为该计算机的指令集。
指令集体系结构（Instruction Set Architecture）
硬件和底层软件之间的接口，被命名为计算机的指令集体系结构（ISA）或简称体系结构

CISC vs. RISC(貌似在各个课程里出现频率很高)

CISC

🔷复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computers)

🔷指令数量多，使用频率差别大，可变长格式，支持多种寻址方式

🔷例如：Intel x86

RISC

🔷精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computers)

🔷指令数量少，使用频率接近，定长格式，大部分为单周期指令，寻址方式支持较少，通用寄存器，Load/Store体系结构

🔷例如：MIPS、ARM、RISC-V

汇编语言指令

机器语言（machine language）
计算机直接识别的二进制代码，或指不经翻译即可为机器直接理解和接受的程序语言或指令代码。

机器语言：

🔷设计能够方便简单搭建硬件的ISA

🔷编译器能够最优化性能和开销

MIPS：

🔷采取精简指令集（RISC）的处理器架构

🔷与其他ISA类似，最早由斯坦福大学开发

🔷MIPS32、MIPS64、microMIPS、nanoMIPS架构

计算机设计原则

两个设计原则：

1、指令用数的形式表示

🔷00000000 10000010 00010000 00100000

🔷指令：add $2, $4, $2

🔷数字：00 82 10 2016

2、程序和数据都存入存储器中，并可以读写

🔷程序在计算机中以二进制文件的形式存储——二进制兼容性。

🔷计算机可以运行各种程序，二进制兼容使编译好的程序可以在不同计算机上运行。

程序都以二进制存储

存储程序概念（Stored-Program Concept）
多种类型的指令和数据均以数字形式存储于存储器中的概念，存储程序型计算机即源于此。

MIPS指令集

指令类别：

  • 算术指令
  • 逻辑运算指令
  • 数据传送指令
  • 跳转和分支指令
  • 特殊指令

寄存器：

  • R0-R31
  • PC
  • HI
  • LO

这个图在arm课里应该也出现了

MIPS各种指令类型在SPEC2006中使用的频率

指令类型 频率
整数型 浮点型
算术 16% 48%
数据传送 35% 36%
逻辑 12% 4%
分支 34% 8%
跳转 2% 0%

MIPS寄存器组

MIPS寄存器示意

  • 32个32 bits的寄存器
  • 5个输入端口：
  • 3个寄存器选择
  • 1个数据输入
  • 1个控制
  • 2个输出端口
编号 名称 用途
$0 $zero 常量0
$1 $at 保留给汇编器
$2-$3 $v0-$v1 函数调用返回值
$4-$7 $a0-$a3 函数调用参数
$8-$15 $t0-$t7 暂时的
$16-$23 $s0-$s7 保存的
$24-$25 $t8-$t9 暂时的
$26-$27 $k0-$k1 为操作系统／异常处理保留
$28 $gp 全局指针(Global Pointer)
$29 $sp 堆栈指针(Stack Pointer)
$30 $fp 帧指针(Frame Pointer)
$31 $ra 返回地址(return address)

访问速度比内存快：

  • 存储频繁访问的数据
  • 存储空间小，内存有百万个字
  • 64个寄存器比32个寄存器慢一倍

方便编译程序访问：

  • 相较于栈，寄存器组支持随机访问
  • 有效利用寄存器对于提高程序性能极为重要

MIPS指令字段

R型

  • op ：指令的基本操作， 通常称为操作码（ opcode ）
  • rs ：第一个源操作数寄存器
  • rt ：第二个源操作数寄存器
  • rd ：用于存放操作结果的目的寄存器
  • shamt ：位移量
  • funct：功能码，用于指明op字段中操作的特定变式

I型

  • op ：指令的基本操作， 通常称为操作码（ opcode ）
  • rs ：源操作数寄存器
  • rt ：目的操作数寄存器
  • Constant address：常数或地址

J型

  • op ：指令的基本操作， 通常称为操作码（ opcode ）
  • jump target：跳转的目的地址

MIPS的设计原则

设计目标
最优性能、最小开销、减少设计时间、最小能耗

设计原则1：简单源于规整

  • 规整的指令格式可以简化硬件设计，使计算高性能低功耗
  • 指令格式少
  • 前6位为操作码

设计原则2：越小越快

  • 指令数量少
  • 寄存器数量较少

设计原则3：加速大概率事件

  • 操作数来自寄存器
  • 允许立即数作为操作数

设计原则4：优秀的设计需要适宜的折中方案

  • 三种指令格式

֍算术与逻辑运算指令

MIPS算术指令

1
2
3
add $t0, $s1, $s2

sub $t0, $s1, $s2
  • 每条MIPS指令仅执行1个操作（加、减等）
  • 每条算术指令有3个操作数（$t0, $s1, $s2） ，2个源操作数（ $s1, $s2）和1个目的操作数（$t0）
  • 3个操作数来自寄存器组
  • 采用R型指令格式，shamt字段没使用

R型指令

常数或立即数操作数

超过一半MIPS 算术运算指令用常数作为操作数

  • 提供其中一个操作数是常数的算术指令

    1
    addi $s3, $s3, 4

  • 采用I型指令格式

    I型

  • 常数存在指令中

  • 指令格式限制数值范围：-2^15到2^15-1

I型指令格式

I型指令

MIPS的逻辑运算

其他按位操作的逻辑运算指令

R型指令格式
and $t0, $t1, $t2 #$t0=$t1 & $t2
or $t0, $t1, $t2 #$t0=$t1 |$2
nor $t0, $t1, $t2 #$t0=not($t1 |$t2)
I型指令格式
andi $t0, $t1, 0xFF00 #$t0=$t1 & ff00
ori $t0, $t1, 0xFF00 #$t0=$t1 |ff00

与（AND）操作

将源操作数中的某些位置0，称为掩码（mask）

选取某些位，将其他位置0

如图

或（OR）操作

两个操作位中任意一位为1 时结果就为1

将一些位置为1，其他位不变

OR

或非（NOR）操作

按位先或操作后非操作

将一些位置为1

NOR

MIPS引入或非指令（nor）取代按位取反（not）

设计原则1：简单源于规整

如何使用大常数？

I

常数数值范围：-2^31~2^31-1

  • 将32 bits常量取入寄存器
  • 使用两条指令：lui和ori

1、取立即数到寄存器高16位指令

1
lui  $t0, 1010101010101010

2、与立即数进行逻辑“或”运算

1
ori  $t0, $t0, 1010101010101010

如何使用大常数

无符号二进制数

基本二进制表示方式

  • n bits数的表示

    公式

  • 取值范围：0到2^n – 1

  • 例子：

    0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 10112
    = 0 + … + 1×2^3 + 0×2^2 +1×2^1 +1×2^0
    = 0 + … + 8 + 0 + 2 + 1 = 11(下标10)

  • 32 bits无符号数的数值范围是0 to 2^32-1

有符号二进制数：二进制补码

最高有效位为0表示正数，为1表示负数

n bits数的表示

公式

直接截算了

有符号数取反

🔷按位取反，再加1

🔷按位取反：1->0, 0->1

image-20230308001332211

例子

符号扩展

🔷将一个用n 位表示的二进制数转化成一个用多于n 位表示的数

  • 保持数值不变

🔷复制最高有效位（符号位）

  • 无符号数：用0填充左边的数位
  • 有符号数：用1填充左边的数位

🔷例子：8 bits数扩展为16 bits数

  • +2: 0000 0010 => 0000 0000 0000 0010
  • –2: 1111 1110 => 1111 1111 1111 1110

逻辑操作

按位操作的指令

逻辑操作 C Java MIPS
左移 << << sll
右移 >> >>> srl
按位与 & & and, andi
按位或 | | or，ori
按位取反 ~ ~ nor

用于简化对字中若干位进行打包或者拆分操作，称为逻辑操作（logical operations）

MIPS移位操作

🔷按位操作的指令

🔷将所有位向左或者向右移位

1
2
sll $t2, $s0, 4
srl $t2, $s0, 4
  • 逻辑左移sll：所有位所有位向左移动，空位用0填充
  • 逻辑右移srl：所有位向右移动，空位用0填充
  • 采用R型指令格式, rs字段没使用

R型指令格式

采用R型指令格式

例子

算术与逻辑运算指令总结

指令 格式 op rs rt rd shamt funct addr
add R 0 reg reg reg 0 32 n.a.
sub R 0 reg reg reg 0 34 n.a.
addi I 8 reg reg n.a. n.a. n.a. 常数
and R 0 reg reg reg 0 36 n.a.
or R 0 reg reg reg 0 37 n.a.
xor R 0 reg reg reg 0 38 n.a.
nor R 0 reg reg reg 0 39 n.a.
sll R 0 0 reg reg 常数 0 n.a.
srl R 0 0 reg reg 常数 2 n.a.
andi I 12 reg reg n.a. n.a. n.a. 常数
ori I 13 reg reg n.a. n.a. n.a. 常数

֍数据传输指令

MIPS的数据传输指令

为了进行算术运算

  • 将数据从存储器读入寄存器
  • 将计算结果从寄存器写回存储器
  • 数据传送指令（ data transfer instruction ） ：访问存储器的指令load/store word
  • 存储器地址是32 bits，值为基址寄存器$s3的内容加上偏移量4

存储器地址

数据传送指令中的常量称为偏移量（ offset ）

存放基址的寄存器称为基址寄存器（ base register ）

MIPS 是按字节编址的，字的起始地址必须是4 的倍数（32-bit）或者8的倍数（64-bit）

(四位或者八位对齐)

对齐限制-alignment restriction

取字指令

取字和存字指令都采用I型指令格式

对应图例

寻址流程

字节寻址

  • 存储器中可以访问的最小单元是字节(8 bits)

  • 一个字中的每个字节都应有自己的地址

  • 字节地址与字地址的对应关系

  • 大端编址(big-endian)：最左边的字节为字地址

    • IBM 360/370, MIPS, Sparc, HP PA

  • 小端编址(little-endian)：最右边的字节为字地址

    • Intel 80x86, DEC Vax, DEC Alpha

字节寻址

访问字节

MIPS提供访问单个字节的指令
lb $t0, 1($s3) #将存储器中的字节取入寄存器$t0
sb $t0, 6($s3) #将寄存器$t0存入存器中的字节

lb：将字节存入寄存器的最低8 bits (load byte)

sb：将寄存器最低8 bits存入存储器的字节中 (store byte)

测试：

看看题目

第一步，add指令使得s3中存放0，第二步s3+1的位置就是 90 （大端法以最左侧作为起始地址），t0被赋值0x00000090.

第三步，存出to到s3+6位置，即标号4块变为0xFFFF90FF.

如果是小端就改为0xFF12FFFF

֍决策指令

MIPS决策指令

MIPS条件分支指令
bne $s0, $s1, L1 #如果$s0!=$s1,跳转到L1所指的指令 （n=negative)(e=equal)
beq $s0, $s1, L1 #如果$s0=$s1,跳转到L1所指的指令

​ if (i==j) h = i + j;

​ bne $s0, $s1, L1

​ add $s3, $s0, $s1 

   **L1**：…
  • 条件分支语句：如果条件为真，则跳转到标签所指的语句执行；否则，顺序执行
  • 采用I型指令格式

分支目的地址

使用程序计数器（PC）和指令中的16 bits偏移量计算

提取一条指令后，PC自动加4，保存下一条指令的地址

限制了分支目的地址：分支指令地址-2^15到+2^15-1

示意图

if (i<j) h = i + j

小于则置位（set on less than）：slt

slt $t0, $s0, $s1 #如果$s0<$s1,则$t0=1；

​ #否则$t0=0

🔷采用R型指令格式

slt的其他形式
slti $t0, $s0, 25 #如果$s0<25,则$t0=1
sltu $t0, $s0, $s1 #如果$s0<$s1,则$t0=1
sltiu $t0, $s0, 25 #如果$s0<25,则$t0=1

通过slt，beq，bne和寄存器$zero组合来创建其他决策指令

  • 小于则分支：blt $s1, $s2, L1

    slt $at, $s1, $s2 #如果$s1<$s2,则$at=1

    bne $at, $zero, L1 #如果$at!=0,则跳转到L1

  • 小于或等于则分支：ble $s1, $s2, L1

  • 大于则分支：bgt $s1, $s2, L1

  • 大于或等于则分支：bge $s1, $s2, L1

这些指令以伪指令的形式包含在指令集中——编译器可以识别

边界检查的简单方法

  • 检查数组下标越界的简单方法: 0≤i<n

    $s0 = 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

    $s1 = 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001

  • 作为有符号比较

    slt $t0, $s0, $s1

    • $t0=1

  • 作为无符号比较

    sltu $t0, $s0, $s1

    • $t1=0

  • 无符号比较x<y，同时可以检测x是否为负数

    sltu $t0, $s0, $s1

    beq $t0, $zero,IndexOutOfBounds

无条件分支指令

MIPS还提供无条件分支指令或无条件跳转指令

j L1 #跳到标签L1所指的指令

采用J型指令形式（理所当然的jump）

图示

测试：重新改写下面的指令，以支持更远距离的分支转移

beq $s0, $s1, L1

更改为J型指令

bne $s0, $s1, L2

J L1

L2:

…..

֍过程指令

过程（或程序）调用

过程运行中，程序必须遵从以下6个步骤：

  1. 将参数放在过程可以访问的位置（$a0~$a3）
  2. 将控制转交给过程
  3. 获得过程所需的存储资源
  4. 执行需要的任务
  5. 将结果的值放在调用程序可以访问的位置（$v0-$v1）
  6. 将控制返回初始点（$ra）

tutu

跳转和链接指令（jump-and-link instruction）

jal address # $ra=pc+4, 跳转到address

  • 将PC+4存入寄存器$ra，链接函数返回后执行的指令地址
  • 采用J型指令格式

寄存器跳转指令（jump register）

jr $ra # #跳转到寄存器$ra所指的地址

采用R型指令格式

程序调用例子
jal gcd
gcd：…
jr $ra

使用更多寄存器

被调用者（callee）运行可能使用更多寄存器

调用者（ caller）所使用的寄存器必须恢复，需要将寄存器换出到存储器

使用栈（stack）：一种后进先出的数据结构

从高地址向低地址“增长”

$sp($29)：保存栈顶的地址

压栈(push)：向栈增加数据

1
$sp = $sp - 4

出栈(pop)：从栈中移除数据

1
$sp= $sp+ 4

在栈中为新数据分配空间

🔷栈中包含过程所保存的寄存器和局部变量的片段称为过程帧（ procedure frame ）或活动记录（ activation record ）

🔷$fp是帧指针，指向一个过程帧的第一个字——$fp通常作为过程中数据的基址寄存器

图示

在堆中为数据分配空间

  • 用户代码段
  • 静态数据：全局变量
    • 例如C语言中的静态变量，常数数组与字符串等
  • 动态数据：堆
    • 例如，C中malloc命令分配，Java中new命令来分配
  • 栈：
    • 例如局部的数组或结构体

栈内数据

编译C语言：leaf过程

C语言代码：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
int leaf_example (int g, int h, int i, int j)

{   int f;

   f = (g + h) – (i + j);

   return f;

}
假设g, h, i, j 放在寄存器$a0, $a1, $a2, $a3
leaf_example： addi $sp, $sp, -8 #在栈中分配空间
sw $t1, 4($sp) #保存寄存器
sw $t0, 0($sp)
add $t0, $a0, $a1
add $t1, $a2, $a3
sub $v0, $t0, $t1
lw $t0, 0($sp) #恢复寄存器
lw $t1, 4($sp)
addi $sp, $sp, 8
jr $ra #跳转到caller

嵌套过程

  • 嵌套过程：执行中调用其他过程的过程
  • 递归过程：是调用自身的嵌套过程
1
2
3
4
5
int fact( int n)
       
{   if (n<1)  return  (1);
    else  return (n * fact(n-1));
}

fact (0) = 1

fact (1) = 1 * 1= 1

fact (2) = 2 * 1 * 1 = 2

fact (3) = 3 * 2 * 1 * 1 = 6

. . .

假设参数n保存在$a0，返回值保存在$v0

fact：

​ addi $sp, $sp, -8 #在栈中保存$ra和$a0

​ sw $ra, 4($sp)

​ sw $a0, 0($sp)

​ slti $t0, $a0, 1 #测试n<1?

​ beq $t0, $zero, L1

​ addi $v0, $zero, 1 #将1置入$v0

​ addi $sp, $sp, 8

​ jr $ra #返回到caller

L1:

​ addi $a0, $a0, -1 #如果n>=1，参数n-1

​ jal fact #调用fact并link

bk_f:

​ lw $a0, 0($sp) #在栈中弹出$ra和$a0，恢复旧值

​ lw $ra, 4($sp)

​ addi $sp, $sp, 8

​ mul $v0, $a0, $v0

​ jr $ra #返回到caller

当fact返回之后执行bk_f代码段

֍其他

并行与指令：同步

  • 需要硬件支持多任务并行时的同步（synchronize），否则会产生数据竞争（data race）

  • 数据竞争：假如来自不同线程的两个连续的访存请求访问同一个地址，并且至少其中一个是写操作，那么这两个存储访问形成数据竞争

    数据竞争

  • 采用加锁和解锁创立一个仅允许单个处理器操作的区域，称为互斥（mutual exclusion）区

原子交换（atomic exchange）

类似操作系统互斥的原子操作

  • 原子交换：对一个寄存器中的值和一个存储器中的值进行原子的交换，交换操作当成一条指令执行
  • 实现原子交换需要一次存储器读和一次存储器写，并且是不可分割的
  • 一种可行的方法是采用指对，第二条指令返回一个表明这对指令是否原子执行的标志值MIPS处理器采用ll指令和sc指令
1
2
ll  $t1, 0($s1)  #链接取数(load linked)
sc  $t0, 0($s1)  #条件存数(store conditional)

ll指令和sc指令

1
2
3
4
5
6
again：addi  $t0, $zero, $s4   #$t0=$s4(交换的值)
    ll    $t1, 0($s1)       #将存储器的值取入$t1
    sc    $t0, 0($s1)       #尝试将值保存到存储器
                            #如果失败，$t0=0
    beq   $t0, $zero, again #如果失败继续尝试交换
    add   $s4, $zero, $t1   #将值存入$s4,完成交换
  • ll指令：取数并保存ll指令的执行与读取的地址0($s1)
  • sc指令：检查是否有其他指令在ll指令之后对地址0($s1)进行操作，如果没有，$t0的值存入存储器，并将$t0置为1；如果有， $t0的值不存入，并将$t0置为0，表示操作失败

C程序翻译并执行程序

流程图

֍小结

MIPS寻址模式总结

1.立即数寻址

I型

2.寄存器寻址

R型

3.基址寻址

I型

4.PC相对寻址

I型

5.伪直接寻址

J型？

小结

  • 设计原则
    • 简单源于规整
    • 越小越快
    • 加速大概率事件
    • 优秀的设计需要适宜的折中方案
  • 软/硬件层
    • 汇编器、编译器、硬件
  • MIPS指令体系结构核心指令及指令格式
    • R型、I型、J型
学习资料
#课件笔记 #计算机组成原理
计算机组成原理-L02-ISA
https://www.emokable.top/计算机组成原理-L02-ISA/
作者
emokable
发布于
2023年3月7日
许可协议