计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计

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云端FFF 2022-11-22 10:33:06 博主文章分类：计算机组成原理 ©著作权

文章标签 计算机组成原理指令集体系结构 ISA 指令系统操作码 文章分类 后端开发

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文章目录

一、指令集体系结构（ISA）的基础概念

1. 指令相关概念
2. 什么是ISA
3. ISA的地位

（1）ISA是软件和硬件的交界面（接口）
（2）ISA是计算机的必要组成部分

二、指令格式设计

1. 一条指令必须包含的信息
2. 不同地址码个数的指令
3. 从指令执行周期看指令设计涉及的问题

三、指令系统设计

1. 设计指令系统

（1）设计原则
（2）设计的重要方面

2. 操作数类型和存储方式

（1）指令应涉及的基本数据类型
（2）IA32和MIPS中的数据类型

3. 寻址方式

（1）关于寻址
（2）有效地址和地址编码
（3）指令的寻址
（4）操作数的寻址

1. 常用寻址方式
2. 三种偏移寻址方式详述

4. 操作码编码

（1）定长操作码编码
（2）变长操作码编码

1. 哈夫曼编码
2. 扩展编码
3. 设计操作码编码示例

5. 标志信息的生成与使用

（1）条件测试方式
（2）标志寄存器
（3）MIPS中没有标志位

6. 指令设计风格

（1）按操作数位置指定风格
（2）按指令格式的复杂度来分

1. 复杂指令集计算机CISC
2. 精简指令集计算机RISC

一、指令集体系结构（ISA）的基础概念

1. 指令相关概念

CPU只能识别指令形式的机器语言（01序列），不管C、python还是什么高级语言，都需要翻译（编译、汇编、解释）为机器语言才能执行
指令可以分为三个类型

微指令：微程序级的命令，它属于硬件；
宏指令（伪指令）：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
机器指令：介于微指令和伪指令之间，处于硬件和软件的交界面，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。一般讲的指令就是指机器指令

一条机器指令对应了硬件层面的一段微程序，微程序由若干微指令组成。比如在多周期CPU中执行一个加法指令，它可能对应了类似这样的一段微程序：从寄存器取操作数 -> 运算 -> 结果写回寄存器，这里就是三条微指令，每个机器周期执行一条。
机器指令就是一串二进制的01序列

指令集（指令系统）：一台机器可以执行的机器指令的集合，它是ISA的核心组成部分
微架构：处理器核心的实现方式，是将一种给定的ISA在处理器中执行的方法

2. 什么是ISA

ISA（指令集体系结构）是一种规约（Specification），它规定了如何使用硬件，是一种对硬件的抽象

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令系统

关系图

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令集体系结构_02

3. ISA的地位

（1）ISA是软件和硬件的交界面（接口）

计算机体系结构示意
指令系统处在软/硬件交界面，同时被硬件设计者和系统程序员看到

硬件设计者角度：指令系统为CPU提供功能需求，要求易于硬件设计
系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，要求易于编写编译器

ISA是对硬件的抽象，所有软件功能都建立在 ISA之上

（2）ISA是计算机的必要组成部分

ISA是最贴近CPU的，它规定了CPU可以理解的机器码语法以及部分CPU设计要求，因此它在计算机体系结构的发展中一直存在。它是CPU的接口，只要有计算机硬件，就有ISA。
操作系统、各种层次的编程语言等等都是建立与ISA之上的，它们即使这些都没有，我们直接写机器码也可以让计算机正常工作
计算机体系结构的发展简图如下，可以看到其中都有ISA：

最早的计算机，用机器语言编程
之后出现了OS和汇编语言，可以执行多道程序
现代计算机体系结构

最后附一张不同层次的计算机工作者对计算机的认识
下面，针对ISA的核心组成部分——指令集（指令系统），进行进一步介绍

二、指令格式设计

1. 一条指令必须包含的信息

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_ISA_03

2. 不同地址码个数的指令

这里的地址是指一个操作数所在的地址。它具体可能是寄存器编号、存储器地址、I/O端口或指令立即数等等…

3. 从指令执行周期看指令设计涉及的问题

CPU的运行流程：

取指令 - 指令译码 - 计算地址取操作数 - 进行运算，得标志位 - 计算结果送目的地 - 计算下条指令地址

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令系统_04

上面这种划分得比较细，一个标准五级流水线中是这样划分的：取指 - 译码 - 执行 - 访存 - 写回

三、指令系统设计

1. 设计指令系统

（1）设计原则

应尽量短
要有足够的操作码位数
指令编码必须有唯一的解释，否则是不合法的指令
指令字长应是字节的整数倍
合理地选择地址字段的个数
指令尽量规整

（2）设计的重要方面

操作码的全部组成：操作码个数 / 种类 / 复杂度（主存读写、自增、跳转四种指令已足够编制任何可计算程序，但程序会很长）
数据类型：对哪几种数据类型完成操作
指令格式：指令长度 / 地址码个数 / 各字段长度（看上面一、2部分）
通用寄存器：个数 / 功能 / 长度
寻址方式：操作数地址的指定方式
下条指令的地址如何确定：顺序，PC+1；条件转移；无条件转移；……
一条指令的功能，一般通过对操作码进行不同的编码来定义；操作码相同时，再由功能码进行区分（例如MIPS的R型指令）

2. 操作数类型和存储方式

操作数：指令处理的对象，与高级语言的数据类型对应
操作数存放在寄存器或内存单元中

（1）指令应涉及的基本数据类型

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_操作码_05

（2）IA32和MIPS中的数据类型

IA-32（英特尔32位体系架构，80386开始采用）
- 基本类型：字节、字(16位)、双字(32位)、四字(64位)
- 整数： 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数；18位压缩8421 BCD码表示的十进制整数
- 无符号整数（8、16或32位）
- 近指针：32位段内偏移（有效地址）
- 浮点数：IEEE 754（80位扩展精度浮点数寄存器）
MIPS
- 基本类型：字节、半字(16位)、字(32位)、四字(64位)
- 整数： 16位、32位、64位三种2-补码表示的整数
- 无符号整数：（16、32位）
- 浮点数：IEEE 754（32位/64位浮点数寄存器）

3. 寻址方式

（1）关于寻址

寻址方式：指令或操作数地址的指定方式。即：根据地址找到指令或操作数的方法，通常特指 “操作数的寻址”
指令中如何表示寻址方式

没有专门的寻址方式位（由操作码确定寻址方式）：如MIPS指令，一条指令中最多仅有一个主(虚)存地址，且仅有一到两种寻址方式。
有专门的寻址方式位：如X86指令，一条指令中有多个操作数，且寻址方式各不相同，需要各自说明寻址方式，因此每个操作数有专门的寻址方式位

常用寻址方式：立即 / 直接 / 间接 / 寄存器 / 寄存器间接 / 偏移 / 堆栈…

（2）有效地址和地址编码

有效地址

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_计算机组成原理_06

地址编码

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令集体系结构_07

（3）指令的寻址

指令寻址

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_计算机组成原理_08

（4）操作数的寻址

1. 常用寻址方式

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_ISA_09

EA是操作数在主存中的地址，得到EA后，还要访存才能得到操作数
操作数的真实位置

在指令中直接给出：立即寻址
在寄存器中：寄存器寻址
在主存中：以上除了立即和寄存器之外所有
在磁盘中：对于在主存中的操作数，可能发生 “缺页” ，此时操作数在磁盘中，需要被置换进主存

偏移寻址有三种，这块比较复杂，下面逐一分析

2. 三种偏移寻址方式详述

寻址算法思想
2. 思维导图
4. 可见，所谓偏移寻址就是利用基地址和地址偏移量计算目标地址，根据地址给出形式的不同，可以分成三种类型。
5. 一般RISC机器不提供自动变址寻址，并将变址和基址寻址统一成一种 “偏移寻址方式”。比如MIPS就是这样的
相对寻址： EA=A+(PC)
- 定义：目标地址 = 相对于PC寄存器当前值的位移量为A的存储单元。指令地址码给出一个偏移量(带符号数)，基准地址由PC寄存器隐含给出
- 注意：当前PC值可能是本条指令（没有指令预取，如单周期CPU）或下一条指令的地址（有指令预取，如流水线CPU）
- 可用来实现程序(公共子程序)的浮动 或 指定转移目标地址
基址寻址：EA=A+(B)
- 定义：目标地址 = 相对于基址(B)处位移量为A的单元。指令地址码给出一个偏移量，基准地址由基址寄存器B给出。（例如MIPS指令lw / sw $s2, 0x40($t1) ）
- 可用来实现多道程序重定位 或 过程调用中参数的访问
变址寻址： EA=A+(I)
1. 定义：目标地址 = 相对于首址A处位移量为(I)的单元。指令地址码给出一个基准（形式）地址A ，而偏移量(无符号数) 由变址寄存器 I 给出。（例如Intel 8086指令MOV AL, [SI+1000H]，这里SI就是I, 1000H就是A。）
2. MIPS中没有变址寄存器；IA32中有。
4. 可为循环重复操作提供一种高效机制，如实现对线性SK表IP的方便操作

4. 操作码编码

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_操作码_16

（1）定长操作码编码

思维导图

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令集体系结构_17

举例：IBM360/370的指令格式

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_计算机组成原理_18

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令系统_19

可以看到，各种指令类型中，OP段（操作码）的编码长度都是一致的
IBM360/370使用了定长操作码，变长指令字

（2）变长操作码编码

基本思想

将操作码的编码长度分成几种固定长的格式
指令格式：变长操作码、变长指令字

变长操作码编码有两种

扩展编码
哈夫曼编码

PDP-11是典型的变长操作码机器
大多数指令集采用变长操作码编码这种方式

1. 哈夫曼编码

这就是数据结构中学习过的哈夫曼编码，可以有效压缩操作码的平均长度
通过构造一棵哈夫曼数，我们可以轻松获取每个操作码的哈夫曼编码，这里不展开说了
哈夫曼编码应用于指令设计时存在一些问题

操作码长度很不规整;
硬件译码困难
与地址码共同组成固定长的指令比较困难

2. 扩展编码

核心原则：任意操作码的编码不能是另一个操作码的编码的前缀
等长15/15/15扩展编码

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令集体系结构_20

等长8/64/512扩展编码

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_计算机组成原理_21

不等长操作码4/6/10扩展编码法

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令系统_22

3. 设计操作码编码示例

设某指令系统指令字是16位，操作码从最高位开始，地址码都在最低位，每个地址码为6位。包含三类指令
1. 二地址指令15条
2. 一地址指令34条
3. 其余为零地址指令
分析：
1. 二地址指令格式：4位操作码 | 6位地址 | 6位地址
2. 一地址指令：10位操作码 | 6位地址
3. 零地址指令：16位操作码
编码设计：

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_指令系统_23

5. 标志信息的生成与使用

（1）条件测试方式

在一些CPU设计中，条件转移指令通常根据Condition Codes (条件码/CC) 决定是否转移。如IA-32结构中的Jcc系列指令
IA-32的Jcc指令示例，可见条件码cc本质上是由一些标志位的逻辑运算结果决定的，也就是说：标志位经过逻辑运算，可以进行逻辑判断或溢出检测等

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_计算机组成原理_24

常见的标志位由以下四种，对于带符号和无符号运算，标志生成方式有没有不同，因为电路不知道是无符号数还是带符号整数！

计算机组成原理（4.1）—— 指令系统设计_ISA_25

通过执行算术指令或显式地由比较和测试指令来设置CC（即设置标志位），它们（尤其是第二类）往往配合跳转转移系列指令Jcc使用
1. 第一类：如IA-32中的add，sub等算术指令
2. 第二类：如IA-32中的cmp，test等指令
更多关于IA-32中标志相关的内容，请参考：IA-32汇编语言笔记（3）—— 简单传送、加减指令 & 标志寄存器