中国科学技术大学：《计算机组成原理》课程教学资源（课件讲稿，2022）02 指令系统

计算机组成原理 第二章“指令系统” 中科大11系 李曦

计算机组成原理 第二章“指令系统” 中科大11系 李曦

体系结构的8种属性 ,数据表示 -硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 寻址方式 一最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 寄存器组织 操作寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用 规则 ·指令系统 -机器指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 存储系统 -最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间 输入输出 输入输出的连接方式、处理机山存储器与输入输出设备间的数据交换方式、 数据交换过程的控制 ● 中断机构 中断类型、中断级别，以及中断响应方式等 ·信息保护 一信息保护方式、硬件信息保护机制

体系结构的8种属性 • 数据表示 – 硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 • 寻址方式 – 最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 • 寄存器组织 – 操作寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用 规则 • 指令系统 – 机器指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 • 存储系统 – 最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间 • 输入输出 – 输入输出的连接方式、处理机/存储器与输入输出设备间的数据交换方式、 数据交换过程的控制 • 中断机构 – 中断类型、中断级别，以及中断响应方式等 • 信息保护 – 信息保护方式、硬件信息保护机制

概要 、“程序控制” 一程序=顺序执行的指令流 0 指令系统：机器指令的集合 -汇编语言(Assemble Language)机器语言 Instruction Set Architecture (ISA) ·分类：CISC、RISC、VLIW software ·影响：处理器、C编译器、OS。。。 instruction set 本章的内容 hardware -RV指令系统 ·指令功能，指令格式与编码，寻址方式 一汇编程序设计：C语言的机器表示 ·可执行程序生成：编译，汇编，链接，加载 一指令系统特征 llxx@ustc.edu.cn 3/41

llxx@ustc.edu.cn 3/41 概要 • “程序控制” – 程序=顺序执行的指令流 • 指令系统：机器指令的集合 – 汇编语言（Assemble Language）/机器语言 – Instruction Set Architecture（ISA） • 分类：CISC、RISC、VLIW • 影响：处理器、C编译器、OS。。。 • 本章的内容 – RV指令系统 • 指令功能，指令格式与编码，寻址方式 – 汇编程序设计：C语言的机器表示 • 可执行程序生成：编译，汇编，链接，加载 – 指令系统特征

操作数(opr) ·操作数类型：进制，编码，立即数（补码） 一地址：无符号整数。寄存器、内存、/O端口D 一数值：常数、定点数（有符号/无符号）、浮点数、逻辑值 -字符：ASCl、汉字内码 。 字长：“RV321”32位， “RV64”一64位(“大立即数”》 字节 100 半字：2B ® 80 字：4B 60 双字：8B(大立即数) 40 。 存放位置 20 寄存器 0 ● 主存 /O端口 Video Image Graphics Audio Speech Security Decode Encode Average Media type 外存？ Floating-point Pointers ■Word■Half-word■Byte 4/41

4/41 操作数（opr） • 操作数类型：进制，编码，立即数（补码） – 地址：无符号整数。寄存器、内存、I/O端口ID – 数值：常数、定点数（有符号/无符号）、浮点数、逻辑值 – 字符：ASCII、汉字内码 • 字长：“RV32I”——32位，“RV64”——64位（“大立即数”） • 字节 • 半字：2B • 字：4B • 双字：8B（大立即数） • 存放位置 • 寄存器 • 主存 • I/O端口 • 外存？

典型内存地址空间分配 Offset o Reserved for ·段式 Interrupt Vectors Top of Stack- Reserved for -DATA Stack -CODE RAM -Stack/Heap Reserved for Heap Top of Heap- 8 bytes DATA ·/O port? Unused Memory ·硬盘 Mapped 1/0 ·网络 ROM CODE 50 bytes 5/111

典型内存地址空间分配 • 段式 – DATA – CODE – Stack/Heap • I/O port? • 硬盘 • 网络 5/111

字存储顺序(Byte Ordering) ·字存储顺序中，字节的次序有两种 -大尾端(big endness):低地址，高字节 -小尾端(little endness):低地址，低字节 ·X86和RV都为小端，ARM可以自主设置 00000000000000000000000000000001 00000000000001110000001100000001? 大尾端： 0000000000000000 8000000000000001 addr+0 addr+1 addr+2 addr+3 /1先存高有效位（在低地址） 小尾端：08000001 000000000000000000000000 addr+0 addr+1 addr+2 addr+3 /1先存低有效位（在低地址）

字存储顺序（Byte Ordering） • 字存储顺序中，字节的次序有两种 – 大尾端（big endness）：低地址，高字节 – 小尾端（little endness）：低地址，低字节 • X86和RV都为小端，ARM可以自主设置 • 00000000 00000000 00000000 00000001 – 00000000 00000111 00000011 00000001?

数据存放位置(Memory Alignment) 在数据不对准边界的计算机中，数据（例如一个字） 可能在两个存储单元中。 此时需要访问两次存储器，并对高低字节的位置进行 调整后，才能取得一字。 边界对准： 一字对齐：左移两位，按字访问 ·RVIX86不要求，MIPS要求 一半字：左移一位，按半字访问 存储器 地址（十进制） 字（地址2) 半字（地址0） 0 字节（地址7） 字节（地址6) 字（地址4） 4 半字（地址10) 半字（地址8) 8 llxx@ustc.edu.cn 7/41

llxx@ustc.edu.cn 7/41 数据存放位置（Memory Alignment） • 在数据不对准边界的计算机中，数据（例如一个字） 可能在两个存储单元中。 – 此时需要访问两次存储器，并对高低字节的位置进行 调整后，才能取得一字。 • 边界对准： – 字对齐：左移两位，按字访问 • RV/x86不要求，MIPS要求 – 半字：左移一位，按半字访问 字（地址2） 半字（地址0） 0 4 8 字节（地址7） 字节（地址6） 字（地址4） 半字（地址10） 半字（地址8） 存储器 地址（十进制）

RV architected registers:RV64RV32.2-14 Preserved Name Register Usage number on call？ x0 0 The constant value 0 n.a. x1 (ra) 1 Return address(link register) yes x2 (sp) 2 Stack pointer yes x3 (gp) 3 Global pointer yes x4 (tp) 4 Thread pointer yes x5-x7 5-7 Temporaries no x8-x9 8-9 Saved yes ×10-×17 10-17 Arguments/results no x18-×27 18-27 Saved yes ×28-×31 28-31 Temporaries no ·Preserved:在函数调用中保持不变

RV architected registers：RV64/RV32，图2-14 • Preserved：在函数调用中保持不变

操作分类 Data Movement ·数据传递 (data movement) -访存：mov,load,store 1/O:in,out Data Data 。1 算逻运算(arithmetic&logical) - add,sub,and,not,or,xor,dec,inc,cmp monadic dyadic operations 移位操作 monadic operations:shl,shr,srl,srr ·分支控制(tranfer of contral,Branch) comparisons conditional branches:beq,bnz,jmp procedure call:call,ret,int,iret 系统指令 晶振 -HLT,nop,wait,sti,cli,lock R Q CLK S llxx@ustc.edu.cn 9/41

llxx@ustc.edu.cn 9/41 操作分类 • 数据传递（data movement） – 访存：mov，load，store – I/O：in，out • 算逻运算（arithmetic & logical） – add，sub，and，not，or，xor，dec，inc，cmp – monadic & dyadic operations • 移位操作 – monadic operations：shl，shr，srl，srr • 分支控制（tranfer of contral，Branch） – comparisons & conditional branches：beq，bnz，jmp – procedure call：call，ret，int，iret • 系统指令 – HLT，nop，wait，sti，cli，lock 晶振 R S Q CLK

指令字格式Machine Instruction Layout von Neumann:“指令由操作码和地址码构成” ·操作码：操作的性质 地址码：指令和操作数(operand)的存储位置 操作码域（op) 地址码域(addr) ·指令字长度固定Vs.可变：RISC(RV/MIPS/ARM)一般32位 ·固定：规则，浪费空间 操作码长度固定VS.可变 ·固定：译码简单，指令条数有限，RISC C (RV/MIPS/ARM ·可变：指令条数和格式按需调整，CISC(x86) ·“扩展操作码技术”：调整op与addr域 ·如果指令字长固定，则操作码长度增加，地址码长度缩短 llxx@ustc.edu.cn 10/41

llxx@ustc.edu.cn 10/41 指令字格式Machine Instruction Layout • von Neumann： “指令由操作码和地址码构成” • 操作码：操作的性质 • 地址码：指令和操作数（operand）的存储位置 • 指令字长度固定vs.可变：RISC（RV/MIPS/ARM）一般32位 • 固定：规则，浪费空间 • 操作码长度固定vs.可变 • 固定：译码简单，指令条数有限，RISC（RV/MIPS/ARM） • 可变：指令条数和格式按需调整，CISC（x86） • “扩展操作码技术”：调整op与addr域 • 如果指令字长固定，则操作码长度增加，地址码长度缩短 操作码域（op） 地址码域（addr）