湘潭大学第5章 指令系统及ALU设计

• 子程序调用与条件、无条件指令的主要区别：
– 子程序调用需要保存返回地址，即返回到原调 用的程序继续执行子程序调用指令的下一条指 令。 – 返回地址一般保存在堆栈中，随同保存的还有 状态寄存器。 – 返回Return指令从堆栈中取出返回地址。
• (4)陷阱(Trap)与陷阱指令 • 在计算机运行过程中，有时可能出现电源电 压不稳、校验错、输入/输出设备出现故障、 非法操作码等意外情况，使得计算机不能正 常工作。因此，一旦出现故障，计算机就发 出陷阱信号，并暂停当前程序的执行(称为中 断)，转入故障处理程序进行相应的故障处理。 • 陷阱指令一般作为隐含指令不提供给用户使 用，只有在出现故障时，才由CPU自动产生 并执行。
– 需要I/O操作的指令必须指定I/O模块或设备的地 址。
5.2.2 指令的表示
• 指令系统结构ISA包括： – 指令的格式 – 指令的意义 – 操作数的类型 – 指令能访问的寄存器和存储器地址 • 指令都由操作码和操作数组成 – 操作码－指明要执行的操作。 – 操作数－指明操作的对象（数据），每条指 令的操作数的个数不等，一般0~3个。
• 它处在软件设计者与硬件设计者之间能对 上话的一个“接口”。
主要内容
• 指令系统的作用和性能要求 • 机器指令的设计要素 • 指令的基本格式
– 操作码的编码技术 – 地址码的安排
• 操作类型和操作数类型 • 指令寻址方式和操作数寻址方式
– 指令寻址方式（顺序，跳跃） – 操作数寻址方式
• MIPS指令格式和通用寄存器定义
第5章
指令系统设计
• 一个CPU的指令系统(Instruction Set)定义 该CPU―所能做的”或者“应该做的”工作 。
– “所能做的”意思是告诉系统软件设计者该 CPU能做什么事情(软件设计者使用它)。 – ―应该做的”意思是告诉硬件设计者在设计CPU 时应该让CPU完成的任务(硬件设计者实现它) 。
机器指令的符号表示法
• 操作码被缩写成助记符(Mnemonic)来表示。如： ADD ―加”操作 SUB ―减”操作 MPY ―乘”操作 DIV “除”操作 LOAD ―读”操作，即由从存储器读入 STOR ―存储”操作，即存到存储器 • 操作数也可用符号表示。例如：
– ADD R, Y； R(Y)+(R) – 指令解释：它将存储器中Y地址存放的数据加到寄存器 R内容上。 – 注意，操作是对位置存放的“内容”来完成的，而不 是对它的地址。
– 是根据计算机的处理结果来决定程序如何执行。 它先测试条件码，然后根据所测试的条件是否满 足来决定是否转移。
• 条件码建立与转移判断：
– ①在转移指令中先完成比较运算，然后根据比 较的结果来判断转移条件是否成立，如果条件 为“真”则转移，否则顺序执行下一条指令。 – ②由转移指令之前的指令来建立条件码，转移 指令根据条件码来判断是否转移。 – 条件码：进位C、结果为零Z、结果溢出V、结 果为负N、奇偶校验P。
• 2、有效性
– 指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地 运行。 – 高效率主要表现在程序占据的存储空间小、执 行速度快。
• 3、规整性
– (1)对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储 器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各 种寻址方式。 – (2)匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种 数据类型；如算术运算指令可支持字节、字、 双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度 浮点数运算等。 – (3)格式一致性：指令长度和数据长度有一定的 关系，以方便处理和存取。 – 一般指令长度和数据长度通常是字节长度的整 数倍。
• 与存储器访问不同，向端口写入的信息可能是控制 信息，而从端口中读出的可能是状态信息。
• • • •
6、程序控制(转移类)指令 用于控制程序流的转移。 按转移性质分为 (1)无条件转移
– 无条件转移指令不受任何条件约束，直接把程序 转移到指令所规定的目的地，在那里继续执行程 序。
• (2)条件转移指令
– 与、或、非(反)、异或等，及位操作指令，如 位测试、位清除、位求反等。
• 3、移位操作指令
– 按移位性质分为： 算术移位(需考虑溢出) 逻辑移位 循环移位 – 按移位方向分为： 左移 右移， – 按移位位数分为： 一位 多位 – 算术移位、逻辑移位和循环移位如下图。
算术移位 左移
右移 循环移位
• 堆栈的作用
– 在中断、子程序调用中用于保存返回地址、状 态标志及现场信息。 – 用于子程序调用时参数的传递。
• 8、特权指令(系统控制类指令) • 由系统软件专用，不提供给用户使用。 • 用于系统资源的分配和管理，包括：
– – – – 改变系统的工作方式 检测用户的访问权限 修改虚拟存储器管理的段表、页表 完成任务的创建和切换
5.1.2 对指令系统的性能要求
• 计算机的指令系统影响到
– 计算机硬件结构的复杂程度和运行性能。 – 用户完成程序设计的难易程度和工作效率。
• 必须对设计指令系统的工作给以足够的重 视。 • 一般要求如下：
• 1、完备性
– 指编写各种程序时，指令系统直接提供的指令 足够使用，而不必通过其它软件来实现。 – 完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方 便。
5.4.2 操作数的类型
• 指令的主要任务是对操作数进行计算。操作 数有不同的类型及相应的长度，如下表所示。
数据类型 字节 无符号字节 半字 无符号半字 字 无符号字 单精度浮点数 双精度浮点数 位数 8 8 16 16 32 32 32 64 数值范围 -128~+127 0~255 -32768~+32767 0~65535 -231~ 231-1 0~ 232-1 C语言中的对应 signed char unsigned char short int unsigned short int int unsigned int
– MIPS指令格式 – MIPS通用寄存器
• MIPS指令和ALU设计
– 本书CPU可执行的MIPS指令 – ALU设计
5.1 指令系统的作用和性能要求
• 5.1.1 指令系统的作用 • 计算机的程序是由一系列的指令组成的， 指令就是要计算机执行某种操作的命令 • 从计算机组成的层次结构来说，计算机的 指令有微指令、机器指令和宏指令之分。
5.4 指令类型 • 5.4.1 操作类型
• 对于不同数据类型的操作应当用不同的操 作码，如整数加法和浮点加法应当使用不 同的操作码，视为不同的指令。 • 按指令的功能分类，可分为 • 1、算术运算指令
– 整数和浮点数的加、减、乘、除等。 – 表征结果的特征(条件码)：Z,C,V,N
• 2、逻辑运算
• 转移地址形成：
– ①相对转移，即执行PC←(PC)+位移量， – ②绝对转移，即PC←目标(有效)地址。
• (3)调用指令与返回指令 • 在编写程序过程中，常常需要编写一些经 常使用的，能够独立完成某一特定功能的 程序段，在需要时能随时调用，以节省存 储器空间和简化程序设计。这种程序段就 称为子程序、过程、函数。 • 使用调用指令(过程调用/系统调用/转子程序) 来实现从一个程序转移到另一个程序的操 作。
• 计算机的指令
–微指令：微程序级的命令，它属于硬件。 –宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于 软件。 –机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条 指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运。 –指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是 表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅 直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件 ，影响到机器的适用范围。
• • • •
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
9、其它指令 (1)向量指令 (2)多处理机指令 (3)控制指令 等待指令 停机指令 空操作指令 开中断 关中断 置条件码指令 • 当单用户情况下程序执行完毕，安排一条 停机指令不再继续执行程序。
• 10、浮点运算类指令
– 浮点加、减、乘、除、开方运算。 – 整数与单精度浮点数转换，整数与双精度浮点 数转换，单精度浮点数转换与双精度浮点数转 换。
(1)压栈指令(PUSH)是把指定的操作数送入堆栈 的栈顶。 (2)弹出指令(POP)是把栈顶的数据取出，送到 指令所规定的目的地。 向下生长的栈－－从高地址向低地址扩展。 向上生长的栈－－从低地址向高地址扩展。
• 按栈的生长方向，堆栈分：

• 设栈为向下生长的栈，且按字节编址，操作数为2 字节。 压栈指令 弹栈指令 PUSH OPD POP OPD 其操作是 (SP)-２→SP 其操作是 ((SP))→OPD OPD→(SP) (SP)+２→SP
• 问题：如何区分主存中某单元的内容是数 据还是指令？
– 一般用户无法区分。 – 程序员可以事先安排好。 – 处理器在取指令周期取出的是指令，否则取出 的是数据。
• 处理器支持的指令集构成了该处理器的指 令系统。
– 指令系统功能越强，处理器也就功能越强。
5.2.3 指令集应考虑的各种因素
• (1)操作指令表(operation repertoire):应提供多少 和什么样的操作，操作的复杂程度。 • (2)数据类型(data types)：所支持的数据类型。 • (3)指令格式(Instruction Format)：指令的(位)长度 、地址数目、各个字段的大小等。 • (4)寄存器(Registers)：能被指令访问的CPU寄存 器数目以及它们的用途。 • (5)寻址方式(Addressing Mode)：指定操作数地 址的产生方式。
• 有些机器设置了数据交换指令。
半字节交换
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9 8
• 5、I/O访问类指令 • 根据I/O端口与存储器编址是否统一分为：
– 独立编址—I/O空间独立于存储空间进行编址， 需要I/O指令访问。 – 统一编址----将I/O空间与存储器空间一起进行 编址，使用存储器访问指令来访问。 – 访问I/O端口，有读写之分。