《计算机系统结构》电子教案(课2).ppt

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1、2014.2.17,计算机系统结构,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）,2014.2.17,计算机系统结构,2,2.4.2 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；

2、 访问主存只有load和store指令，用变址寻址； 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。,2014.2.17,计算机系统结构,3,2.4.2 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

3、担了80%的工作，1974年，他提出RISC的概念。 在RISC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

4、能工业级的32位和64位CPU的结构体系，并且向其它半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。,2014.2.17,计算机系统结构,4,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。 M

5、IPS具有强大的应用基础，能在MIPS上运行的操作系统，包括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。,2014.2.17,计算机

6、系统结构,5,2.6.1 MIPS的寄存器（P47）,32个64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

7、（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。,2014.2.17,计算机系统结构,6,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 NAME USAGE $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 $a0-$

8、a3 函数调用参数(arguments) $8-$15 $t0-$t7 暂时的(或随便用的) $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) $

9、31 $ra 返回地址(return address),2014.2.17,计算机系统结构,7,2.6.2 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。,2014.2.17,计算机系统结构,8,2.6.3 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

10、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”。,2014.2.17,计算机系统结构

11、,9,2.6.4 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）,2014.2.17,计算机系统结构,10,2.6.4 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

12、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 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Regsrs,2014.2.17,计算机系统结构,11,2.6.4 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 Regsrt funct为具体的运算操作编码,2014.2.17,计算机系统结构,12,2.6.4

13、 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。,2014.2.17,计算机系统结构,13,2.6.5 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

14、符号位 RegsR456-63：R4的最低字节,2014.2.17,计算机系统结构,14,2.6.5 MIPS的操作（续）,Mem：表示主存； 按字节寻址，可以传输任意个字节。 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.

15、2.17,计算机系统结构,15,load和store指令,2014.2.17,计算机系统结构,16,ALU指令,寄存器寄存器型（RR型）指令或立即数型 算术和逻辑操作：加、减、与、或、异或和移位等 R0的值永远是0，它可以用来合成一些常用的操作。 例如：DADDIU R1，R0，#100 给寄存器R1装入常数100 DADD R1，R0，R2 把寄存器R2中的数据传送到寄存器R1,2014.2.17,计算机系统结构,17,2.6.6 MIPS的控制指令（P50）,由一组跳转和一组分支指令来实现控制流的改变 典型的MIPS控制指令,2014.2.17,计算机系统结构,18,跳转指令,根据跳转指令

16、确定目标地址的方式不同以及跳转时是否链接，可以把跳转指令分成4种。 确定目标地址的方式 把指令中的26位偏移量左移2位（因为指令字长都是4个字节）后，替换程序计数器的低28位； 间接跳转：由指令中指定的一个寄存器来给出转移目标地址。 跳转的两种类型 简单跳转：把目标地址送入程序计数器。 跳转并链接：把目标地址送入程序计数器，把返回地址（即顺序下一条指令的地址）放入寄存器R31。,2014.2.17,计算机系统结构,19,分支指令（条件转移）,分支条件由指令确定 例如：测试某个寄存器的值是否为零 提供一组比较指令，用于比较两个寄存器的值。 例如：“置小于”指令 有的分支指令可以直接判断寄存器内容

17、是否为负，或者比较两个寄存器是否相等。 分支的目标地址 由16位带符号偏移量左移两位后和PC相加的结果来决定 一条浮点条件分支指令：通过测试浮点状态寄存器来决定是否进行分支。,2014.2.17,计算机系统结构,20,2.6.7 MIPS的浮点操作（P51）,由操作码指出操作数是单精度（SP）或双精度（DP） 后缀S：表示操作数是单精度浮点数 后缀D：表示是双精度浮点数 浮点操作 包括加、减、乘、除，分别有单精度和双精度指令。 浮点数比较指令 根据比较结果设置浮点状态寄存器中的某一位，以便于后面的分支指令BC1T（若真则分支）或BC1F（若假则分支）测试该位，以决定是否进行分支。,2014.2

18、.17,计算机系统结构,21,注意浮点数的存储格式只有64位双精度这一种，没有32位单精度数。,MIPS64伪指令,2014.2.17,计算机系统结构,22,MIPS64指令集1,2014.2.17,计算机系统结构,23,MIPS64指令集2,2014.2.17,计算机系统结构,24,MIPS64指令集3,2014.2.17,计算机系统结构,25,MIPS64指令集4,2014.2.17,计算机系统结构,26,MIPS64指令集5,2014.2.17,计算机系统结构,27,MIPS64指令集6,2014.2.17,计算机系统结构,28,MIPS64模拟器介绍1,2014.2.17,计算机系统结

19、构,29,MIPS64模拟器介绍2,2014.2.17,计算机系统结构,30,MIPS64模拟器介绍3,2014.2.17,计算机系统结构,31,MIPS64模拟器的存储器映射I/O地址与命令,CONTROL: .word32 0x10000 ;控制寄存器（映射地址） DATA: .word32 0x10008 ;数据寄存器（映射地址） Set CONTROL = 1, 将DATA作为无符号整型数输出 Set CONTROL = 2, 将DATA作为有符号整型数输出 Set CONTROL = 3, 将DATA作为浮点数输出 Set CONTROL = 4, 将DATA作为输出字串的首地址 S

20、et CONTROL = 5, 将DATA+5 作为x坐标，DATA+4作为y坐标，DATA作为RGB彩色值输出 Set CONTROL = 6, 清除终端屏幕 Set CONTROL = 7, 清除图形屏幕 Set CONTROL = 8, 从键盘读DATA（整型数或浮点数） Set CONTROL = 9, 从DATA读1字节，无字符回显,数据地址,0x00000,程序存储器,程序起点,lwu r24,DATA(r0),lwu r25,CONTROL(r0),指令地址,0x00000,数据存储器,常规数据区,0x10000,0x10008,sd r9,0(r24),sd r2,0(r25)

21、,控制寄存器,数据寄存器,仿真非智能终端,2014.2.17,计算机系统结构,32,MIPS64模拟器演示实验1 整数加法,文件名：sum.s .data A: .word 10 B: .word 8 C: .word 0 .text main: ld r4,A(r0) ;r4(A) ld r5,B(r0) ;r5(B) dadd r3,r4,r5 ;r3r4+r5 sd r3,C(r0) ;Cr3 halt,2014.2.17,计算机系统结构,33,MIPS64模拟器演示实验2 阶乘1,文件名：factorial.s ; ; 阶乘示例 ; 返回值放r10 ; .data number: .w

22、ord 10 ;此数未用，可能想作为输入值的上限 title: .asciiz “factorial program n= “ ;提示字符串 CONTROL: .word32 0x10000 DATA: .word32 0x10008 .text lwu r21,CONTROL(r0) ;r21指向CONTROL单元（端口） lwu r22,DATA(r0) ;r22指向DATA单元（端口）,2014.2.17,计算机系统结构,34,MIPS64模拟器演示实验2 阶乘2,daddi r24,r0,4 ;输出ascii字串（提示信息） daddi r1,r0,title sd r1,(r22)

23、sd r24,(r21) daddi r24,r0,8 ;从键盘读输入值到r1（整型量） sd r24,(r21) ld r1,(r22) start: daddi r29,r0,0x80 ;r29指向堆栈区起点（十进制值=128） jal factorial ;调阶乘子程序，返回值在r10（整型量） daddi r24,r0,1 ;输出r10的结果 sd r10,(r22) sd r24,(r21) halt ;停机,2014.2.17,计算机系统结构,35,MIPS64模拟器演示实验2 阶乘3,; ;阶乘子程序，入口参数在r1，返回值在r10 ; factorial: slti r10,r

24、1,2 ;如果r12（即r1=1）则r101，否则r100 bnez r10,out ;如果r10=1则子程序返回 sd r31,(r29) ;子程序返回地址压进堆栈 daddi r29,r29,8 ;堆栈指针+8 sd r1,(r29) ;r1当前值压进堆栈 daddi r29,r29,8 ;堆栈指针+8 daddi r1,r1,-1 ;r1r11 jal factorial ;递归调用，将乘数序列依次入栈（n，3，2）,2014.2.17,计算机系统结构,36,MIPS64模拟器演示实验2 阶乘4,dadd r4,r0,r10 ;递归出口（首次r10=1），r4r10 daddi r29,

25、r29,-8 ;堆栈指针8 ld r3,(r29) ;出栈：r3栈顶单元 dmulu r3,r3,r4 ;r3r3r4 dadd r10,r0,r3 ;r10乘积r3 daddi r29,r29,-8 ;堆栈指针8 ld r31,0(r29) ;r31返回地址 out: jr r31 ;子程序返回到r31所指的地址,2014.2.17,计算机系统结构,37,MIPS64模拟器演示实验3 存储器映射输出,文件名：output.s .data A: .word 10 B: .word 8 C: .word 0 CR: .word32 0x10000 DR: .word32 0x10008 .tex

26、t main: ld r4,A(r0) ;r4(A) ld r5,B(r0) ;r5(B) dadd r3,r4,r5 ;r3r4+r5 sd r3,C(r0) ;Cr3 lwu r1,CR(r0) ;r1指向Control寄存器 lwu r2,DR(r0) ;r2指向Data寄存器 daddi r10,r0,1 ;准备命令1（将DATA作为无符号整型数输出） sd r3,(r2) ;Data寄存器r3 sd r10,(r1) ;Control寄存器1 halt,2014.2.17,计算机系统结构,38,MIPS64模拟器演示实验4存储器映射输入/输出,数据地址,0x00000,程序存储器,程

27、序起点,lwu r24,DATA(r0),lwu r25,CONTROL(r0),指令地址,0x00000,数据存储器,常规数据区,0x10000,0x10008,sd r9,0(r24),sd r2,0(r25),控制寄存器,数据寄存器,仿真非智能终端,文件名：testio.s 向虚拟终端输出字符串（命令4）、画线、画彩色点（命令5）。 CONTROL: .word32 0x10000 DATA: .word32 0x10008 .text lwu $t8,DATA($zero) ; $t8 = address of DATA register lwu $t9,CONTROL($zero)

28、; $t9 = address of CONTROL register daddi $v0,$zero,1 ; set for unsigned integer output ld $t1,int($zero) sd $t1,0($t8) ; write integer to DATA register sd $v0,0($t9) ; write to CONTROL register and make it happen daddi $v0,$zero,2 ; set for signed integer output ld $t1,int($zero) sd $t1,0($t8) ; wr

29、ite integer to DATA register sd $v0,0($t9) ; write to CONTROL register and make it happen,2014.2.17,计算机系统结构,39,习题2.14（补充，MIPS64指令系统练习）,人工模拟以下MIPS程序的单条指令运行方式，在表中用16进制编码记录每一步产生的结果（不得借助模拟软件）。 .data n: .word 3 x: .double 0.5 .text LD R1, n(R0) L.D F0, x(R0) DADDI R2, R0, 1 ; R2 1 MTC1 R2, F11 ; F11 1 CV

30、T.D.L F2, F11 ; F2 1 loop: MUL.D F2, F2, F0 ; F2 F2*F0 DADDI R1, R1, -1 ; decrement R1 by 1 BNEZ R1, loop ; if R10 continue HALT ; 此条不填表 提示：MIPS浮点数的格式是IEEE754,2014.2.17,计算机系统结构,40,习题2.14（补充）续,2014.2.17,计算机系统结构,41,实验1：WinMIPS64模拟器练习,实验要求：用MIPS64指令编写一个尽可能短小的程序，将事先存放在数据区的4字节字符串（例如“3901”）转换为一个4位BCD整数，赋给

31、R9。在WinMIPS64模拟器调试通过。 实验报告： (1) 程序清单； (2) 运行结果（每轮循环末尾R9的数值，高位的0可以不写） (3) 程序效率,2014.2.17,计算机系统结构,42,IEEE 754浮点数标准（补充）,目前国际上流行的浮点数标准是IEEE 754，其基本组成是32bit单精度、64bit双精度两种类型。 IEEE 754标准的主要起草者是加州大学伯克利分校数学系教授William Kahan，他帮助Intel公司设计了8087浮点处理器（FPU），并以此为基础形成了IEEE 754标准，Kahan教授也因此获得了1987年的图灵奖。目前几乎所有包含浮点运算的处理

32、机都宣称支持IEEE 754标准，包括Intel公司的Pentium、中国的“龙芯”。 IEEE 754的标准文件是ANSI/IEEE Std 754-1985IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic，通过Google可搜到pdf文件下载。 Kahan教授的主页：http:/www.cs.berkeley.edu/wkahan/。,2014.2.17,计算机系统结构,43,在IEEE 754浮点数国际标准中，32位单精度浮点数和64位双精度浮点数的格式分别如下： 对于单精度浮点数，阶码用移-127码表示，即阶码的0255分别表示阶码的

33、真值为-127128。尾数（原码）用1位符号位、23位小数和1位隐藏的整数共25位表示。尾数的基值和阶码的基值都是2。 当0e255时，表示一个非零的规格化浮点数，数值为： N=(-1)s2e-127(1.m),IEEE 754浮点数标准（续1）,2014.2.17,计算机系统结构,44,IEEE 754浮点数标准（续2）,当e=255，且m0时，表示一个非数NaN(Not-a-Number)。NaN可能是在许多非确定的情况下，如零除以零、求负数的平方根等产生的结果。 当e=255，且m=0时，表示一个无穷数：N=(-1)s。注意+和-的表示是不同的。 当e=0，且m0时，表示规格化浮点数：N=(-1)s2-126(0.m)。 当e=0，且m=0时，表示浮点数零：N=(-1)s0。注意+0与-0的表示是不同的。 对于64位双精度浮点数，阶码用移-1023码表示，其他规定与单精度浮点数类似。,2014.2.17,计算机系统结构,45,各次作业应交的内容,作业2（第2次课）,2.14(补充)，实验1,