計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主講人：陳儉喜計算機學院武漢光電國家實驗室信息存儲部chenjx@QQ群：279749742ComputerArchitecture第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識

(1)計算機系統(tǒng)的多級層次模型，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的廣義定義與狹義定義，與組織、實現(xiàn)的關(guān)系；(2)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類；(3)計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理

Amdahl定律 CPU性能公式

平均時鐘周期數(shù)CPI

每秒百萬指令數(shù)MIPS(4)執(zhí)行時間、吞吐率和基準測試程序；(5)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的特點；(6)并行性的等級與技術(shù)途徑。作業(yè)：1.7，1.10，1.11,下周一上課的時候交作業(yè)

計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理(1)Makethecommoncasefaster|AmdahlCPU性能公式CPU時間=

(CPIi

ICi)/時鐘頻率CPI=

(CPIi

ICi)/IC=

(CPIi

ICi/IC)CPU時間=CPIIC

時鐘周期時間

；MIPS106=指令條數(shù)執(zhí)行時間CPU時鐘周期數(shù)=指令條數(shù)106/ffCPI=106程序的執(zhí)行時間Te=MIPS指令條數(shù)106計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理(2)MIPS（MillionInstructionsPerSecond）AboutMIPS2.1 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類2.2 尋址方式2.3 指令系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進2.5 操作數(shù)的類型和大小2.6 MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)：補充習題2.14，實驗1，要求見群共享

第2章指令系統(tǒng)的設(shè)計2.1指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類先考慮如下問題：1.指令是什么？2.和高級語言（C語言）的差別？3.一條指令應(yīng)包含哪些內(nèi)容？OperationOprand2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化操作類型實例算術(shù)和邏輯運算算術(shù)運算和邏輯操作：加，減，乘，除，與，或等數(shù)據(jù)傳輸load，store控制分支，跳轉(zhuǎn)，過程調(diào)用和返回，自陷等系統(tǒng)操作系統(tǒng)調(diào)用，虛擬存儲器管理等浮點浮點操作：加，減，乘，除，比較等十進制十進制加，十進制乘，十進制到字符的轉(zhuǎn)換等字符串字符串移動，字符串比較，字符串搜索等圖形像素操作，壓縮/解壓操作等尋址方式指令實例含義寄存器尋址ADDR1,R2Regs[R1]←Regs[R1]＋Regs[R2]立即值尋址ADDR3,#6Regs[R3]←Regs[R3]＋6偏移尋址ADDR3,120(R2)Regs[R3]←Regs[R3]＋Mem[120+Regs[R2]]寄存器間接尋址ADDR4,(R2)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]]索引尋址ADDR4,(R2+R3)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[Regs[R2]+Regs[R3]]直接尋址或絕對尋址ADDR4,(1010)Regs[R4]←Regs[R4]＋Mem[1010]存儲器間接尋址ADDR2,@(R4)Regs[R2]←Regs[R2]＋Mem[Mem[Regs[R4]]]自增尋址ADDR1,(R2)+Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[Regs[R2]]Regs[R2]←Regs[R2]＋d自減尋址ADDR1,-(R2)Regs[R2]←Regs[R2]－dRegs[R1]←Regs[R1]+Mem[Regs[R2]]縮放尋址ADDR1,80(R2)[R3]Regs[R1]←Regs[R1]＋Mem[80＋Regs[R2]＋Regs[R3]*d]2.2尋址方式一個需要注意的問題：物理地址空間的信息如何存放？如何在存儲器中存放不同寬度的信息？2.2尋址方式信息寬度不超過主存寬度的信息必須存放在一個存儲字內(nèi)，不能跨邊界。必須做到：信息在主存中存放的起始地址必須是該信息寬度（字節(jié)數(shù)）的整數(shù)倍信息存儲的整數(shù)邊界概念滿足以下條件字節(jié)信息的起始地址為：×…××××半字信息的起始地址為：×…×××０單字信息的起始地址為：×…××００雙字信息的起始地址為：×…×０００

存在存儲空間的浪費，但保證訪問速度。2.2尋址方式2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化在設(shè)計指令系統(tǒng)時，有兩種截然不同的設(shè)計策略。（產(chǎn)生了兩類不同的計算機系統(tǒng)）CISC（復雜指令系統(tǒng)計算機）增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。RISC（精簡指令系統(tǒng)計算機）盡可能地把指令系統(tǒng)簡化，不僅指令的條數(shù)少，而且指令的功能也比較簡單。

2.3.3指令操作碼的優(yōu)化───3種方法（P37）指令操作碼的編碼方法有3種：定長編碼，Huffman編碼，擴展編碼。1.定長編碼（P40）

就是所有指令的操作碼使用相同位數(shù)，其最小碼長等于式中是平均碼長，是第i種指令的碼長，n是指令總數(shù)。例2.0已知n=15，求定長編碼的最小平均碼長。解：這種編碼方式?jīng)]有對操作命令中的冗余信息進行壓縮，程序占用的空間比后2種編碼都大。但是每條指令中的操作碼位數(shù)固定，CPU的指令譯碼電路可以設(shè)計得簡單而快速，所以在追求速度的RISC計算機上被普遍采用。2.Huffman編碼（P38）Huffman壓縮概念（最佳編碼定理）：當用n個長度不等的代碼分別代表n種發(fā)生概率不等的事件時，按照短代碼給高概率事件、把長代碼給低概率事件的原則分配，可使平均碼長達到最低。3.擴展編碼方法（等長擴展法，P39）擴展編碼方法是等長編碼與Huffman編碼的折中，在CISC機器中常常使用（如Intel80x86系列處理機）。用碼長表示：例如4-8-12法。這并不能說明具體編碼方法，例如下面兩種編碼方法都是4-8-12法。用碼點數(shù)表示：例如15/15/15法，8/64/512法15/15/15法，每一種碼長都有4位可編碼位（前頭可以有相同的擴展標識前綴），可產(chǎn)生16個碼點（即編碼組合），但是至多只能使用其中15個來表示事件，留下1個或多個碼點組合作為更長代碼的擴展標識前綴。已經(jīng)用來表示事件的碼點組合不能再作為其它更長代碼的前導部分，否則接收者會混淆。這就是“非前綴原則”。8/64/512法，每一種碼長按4位分段，每一段中至少要留下1位或多位作為擴展標識。各段剩下的可編碼位一起編碼，所產(chǎn)生的碼點用來對應(yīng)被編碼事件。每一段中的標識位指出后面還有沒有后續(xù)段。以3-6-9位為例36bit目標：平均碼長最小化33bit平均碼長=P1l1+P2l2+……+P84l8430bit27bit24bit21bit18bit15bit12bit9bit6bit3bit7/7/7法碼長分布7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條7條9bit6bit3bit4/16/64法碼長分布4條16條64條指令頻度分布懸殊

P1

……P84指令頻度分布均勻

P1

……P84兩種等長擴展碼適用性比較4.編碼方法性能指標信息量：根據(jù)信息論的基本知識，在n種可能發(fā)生的事件集合中，報告第i種事件發(fā)生的消息中包含的信息量為其中Pi是第i種事件發(fā)生的先驗概率，a是編碼基值（2進制bit，a=2）。信息量的單位是表示位數(shù)（最少所需位數(shù)）。這個定義式表明事件的發(fā)生概率越低，關(guān)于它的消息中的信息量越大。熵（entropy）──平均信息量：一個消息源對n種事件發(fā)布的消息的信息量平均值，記為平均碼長：各事件編碼長度的數(shù)學期望。信息冗余量：它表明消息編碼中“無用成分”所占的百分比。從減少存儲與傳輸量的角度看，編碼方法的平均碼長越短越好。但是平均碼長不可能無限制縮短，它的下限就是熵（即R=0時）。如果短于熵就一定會丟失有用信息（即混淆不同指令），這是不允許的。例2.1（補充，教材P38的例2.1自己閱讀）已知頻度序列為0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.3，求Huffman編碼、等長擴展3/3/3碼、定長編碼、三者的平均碼長、信息冗余量以及熵。解：

熵H=–(2×0.1×log20.1+2×0.15×log20.15+0.2×log20.2+0.3×log20.3)

≈2.47

根據(jù)Huffman編碼方法作Huffman樹如圖2.2所示，三種編碼方法的結(jié)果列于表2.1中。表2.1Huffman編碼、等長擴展3/3/3碼及定長編碼2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進CISC指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)存在的問題

（1979年開始，Patterson等人的研究）各種指令的使用頻度相差懸殊，許多指令很少用。據(jù)統(tǒng)計：只有20％的指令使用頻度比較高，占運行時間的80％。而其余80％的指令只在20％的運行時間內(nèi)才會用到。使用頻度高的指令也是最簡單的指令。2.4.2沿RISC方向發(fā)展和改進指令系統(tǒng)執(zhí)行頻度排序80x86指令指令執(zhí)行頻度（占執(zhí)行指令總數(shù)的百分比）1load22%2條件分支20%3比較16%4store12%5加8%6與6%7減5%8寄存器－寄存器間數(shù)據(jù)移動4%9調(diào)用子程序1%10返回1%合計95%Intel80x86最常用的10條指令2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進指令系統(tǒng)龐大，指令條數(shù)很多，許多指令的功能又很復雜，使得控制器硬件非常復雜。

導致的問題：占用了大量的芯片面積（如占用CPU芯片總面積的一半以上）增加了研制時間和成本，容易造成設(shè)計錯誤。許多指令由于操作繁雜，其CPI值比較大，執(zhí)行速度慢。由于指令功能復雜，規(guī)整性不好，不利于采用流水技術(shù)來提高性能。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進設(shè)計RISC機器遵循的原則指令條數(shù)少、指令功能簡單。只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補充一些最有用的指令；采用簡單而又統(tǒng)一的指令格式，并減少尋址方式；指令字長都為32位或64位；指令的執(zhí)行在單個機器周期內(nèi)完成；

(采用流水線機制)只有l(wèi)oad和store指令才能訪問存儲器，其它指令的操作都是在寄存器之間進行；

（即采用load-store結(jié)構(gòu)）大多數(shù)指令都采用硬連邏輯來實現(xiàn)；2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進強調(diào)優(yōu)化編譯器的作用，為高級語言程序生成優(yōu)化的代碼；充分利用流水技術(shù)來提高性能。早期的RISC微處理器1981年，Berkeley分校的Patterson等人的32位微處理器RISCI：31條指令，指令字長都是32位，78個通用寄存器，時鐘頻率為8MHz；控制部分所占的芯片面積只有約6%。商品化微處理器MC68000和Z8000分別為50%和53%；性能比MC68000和Z8000快3～4倍。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進1983年的RISCⅡ：指令條數(shù)為39，通用寄存器個數(shù)為138，時鐘頻率為12MHz。后來發(fā)展成了Sun公司的SPARC系列微處理器。1981年，Stanford大學Hennessy等人的MIPS后來發(fā)展成了MIPSRxxx系列微處理器。IBM的801共同特點：采用load-store結(jié)構(gòu)指令字長為32位采用高效的流水技術(shù)32個64位通用寄存器（GPRs）R0，R1，…，R31也稱為整數(shù)寄存器R0的值永遠是032個64位浮點數(shù)寄存器（FPRs）F0，F(xiàn)1，…，F(xiàn)312.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹MIPS64的一個子集，簡稱為MIPS。2.6.1MIPS的寄存器2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用來存放32個單精度浮點數(shù)（32位），也可以用來存放32個雙精度浮點數(shù)（64位）。存儲單精度浮點數(shù)（32位）時，只用到FPR的一半，其另一半沒用。一些特殊寄存器它們可以與通用寄存器交換數(shù)據(jù)。例如浮點狀態(tài)寄存器：用來保存有關(guān)浮點操作結(jié)果的信息。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MIPS的數(shù)據(jù)表示整數(shù)字節(jié)（8位）半字（16位）字（32位）雙字（64位）浮點數(shù)單精度浮點數(shù)（32位）雙精度浮點數(shù)（64位）字節(jié)、半字或者字在裝入64位寄存器時，用零擴展或者用符號位擴展來填充該寄存器的剩余部分。裝入以后，對它們將按照64位整數(shù)的方式進行運算。2.6.2MIPS的數(shù)據(jù)表示2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)立即數(shù)尋址與偏移量尋址；

寄存器間接尋址是通過把0作為偏移量來實現(xiàn)的；

16位絕對尋址是通過把R0（其值永遠為0）作為基址寄存器來完成的；MIPS的存儲器是按字節(jié)尋址的，地址為64位；所有存儲器訪問都必須是邊界對齊的。MIPS的存儲器地址采用高端字節(jié)表示順序（bigendian，又稱“大尾端排序”），即用bit63表示最低位，而bit0表示最高位；存儲多字節(jié)數(shù)據(jù)時，高字節(jié)存放在低地址，…。與之相反的是，Intel80x86處理機采用低端字節(jié)表示順序（smallendian，又稱“小尾端排序”）2.6.3MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尋址方式編碼到操作碼中所有的指令都是32位的操作碼占6位3種指令格式

3種格式中，同名字段的位置固定不變。2.6.4MIPS的指令格式MIPS指令格式有三種指令格式R-Type兩個操作數(shù)和結(jié)果都在寄存器的運算指令。如：subrd,rs,rtI-Type運算指令：一個寄存器、一個立即數(shù)。如：orirt,rs,imm16LOAD和STORE指令。如：lwrt,rs,imm16條件分支指令。如：beqrs,rt,imm16J-Type無條件跳轉(zhuǎn)指令。如：jtargetoprsrtrdshamtfunc0611162126316bits6bits5bits5bits5bits5bitsR-Type指令oprsrtimmediate0162126316bits16bits5bits5bitsI-Type指令optargetaddress026316bits26bitsJ-Type指令所有指令都是32位寬，須按字地址對齊MIPS指令字段含義OP：操作碼rs：第一個源操作數(shù)寄存器rt：第二個源操作數(shù)寄存器rd：結(jié)果寄存器shamt：移位指令 的位移量func：R-Type指令的OP字段是特定的“000000”，具體操作由func字段給定。例如：func=“100000”時，表示“加法”運算。immediate：立即數(shù)或load/store指令和分支指令的偏移地址targetaddress：無條件轉(zhuǎn)移地址的低26位。將PC高4位拼上26位直接地址，最后添2個“0”就是32位目標地址。為何最后兩位要添“0”？oprsrtrdshamtfunc0611162126316bits6bits5bits5bits5bits5bitsR-Type指令oprsrtimmediate0162126316bits16bits5bits5bitsI-Type指令optargetaddress026316bits26bitsJ-Type指令操作碼的不同編碼定義不同的含義，操作碼相同時，再由功能碼定義不同的含義!指令按字地址對齊，所以每條指令的地址都是4的倍數(shù)（最后兩位為0）。立即尋址寄存器尋址：R-type基址尋址：I-typePC相對尋址偽直接尋址（pseudodirectaddressing）注意：字長32位26位形式地址左移2位（字對準），與PC的高4位拼接ByteHalfwordWordRegistersMemoryMemoryWordMemoryWordRegisterRegister1.

Immediate

addressing2.

Register

addressing3.

Base

addressing4.

PC-relative

addressing5.

Pseudodirect

addressingoprsrtoprsrtoprsrtopoprsrtAddressAddressAddressrd.

.

.functImmediatePCPC++

MIPS尋址模式MIPSAddressingModes（尋址方式）immedoprsrtregisterBase或index+MemoryimmedoprsrtImmediateimmedoprsrtPC+4PC-relative+MemoryI-format:oprsrtrdregisterRegisterfuncR-format:smt655565J-format:opaddr.MemoryPseudodirectB/HW/WByte/HalfWord/Word2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)MIPS指令可以分為四大類load和storeALU操作分支與跳轉(zhuǎn)浮點操作符號的意義x←ny：從y傳送n位到xx，y←z：把z傳送到x和y2.6.5MIPS的操作2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下標：表示字段中具體的位；對于指令和數(shù)據(jù)，按從最高位到最低位（即從左到右）的順序依次進行編號，最高位為第0位，次高位為第1位，依此類推。下標可以是一個數(shù)字，也可以是一個范圍。例如：Regs[R4]0：寄存器R4的符號位

Regs[R4]56-63：R4的最低字節(jié)Mem：表示主存；按字節(jié)尋址，可以傳輸任意個字節(jié)。上標：用于表示對字段進行復制的次數(shù)。例如：0

32：一個32位長的全0字段2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)符號##：用于兩個字段的拼接，并且可以出現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳送的任何一邊。舉例：R8、R10：64位的寄存器，則Regs[R8]32-63←32

（Mem[Regs[R6]]0）24

##Mem[Regs[R6]]表示的意義是：以R6的內(nèi)容作為地址訪問內(nèi)存，得到的字節(jié)按符號位擴展為32位后存入R8的低32位，R8的高32位（即Regs[R8]0-31）不變。

load和store指令指令舉例指令名稱含義LDR2，20(R3)裝入雙字Regs[R2]←64Mem[20+Regs[R3]]LWR2，40(R3)裝入字Regs[R2]←64(Mem[40+Regs[R3]]0)32##Mem[40+Regs[R3]]LBR2，30(R3)裝入字節(jié)Regs[R2]←64(Mem[30+Regs[R3]]0)56##Mem[30+Regs[R3]]LBUR2，40(R3)裝入無符號字節(jié)Regs[R2]←64056##Mem[40+Regs[R3]]LHR2，30(R3)裝入半字Regs[R2]←64(Mem[30+Regs[R3]]0)48##Mem[30+Regs[R3]]##Mem[31+Regs[R3]]L.SF2，60(R4)裝入半字Regs[F2]←64Mem[60+Regs[R4]]##032L.DF2，40(R3)裝入雙精度浮點數(shù)Regs[F2]←64Mem[40+Regs[R3]]SDR4，300(R5)保存雙字Mem[300+Regs[R5]]←64Regs[R4]SWR4，300(R5)保存字Mem[300+Regs[R5]]←32Regs[R4]S.SF2，40(R2)保存單精度浮點數(shù)Mem[40+Regs[R2]]←32Regs[F2]0··31

SHR5，502(R4)保存半字

Mem[502+Regs[R4]]←16Regs[R5]48··.63

ALU指令寄存器－寄存器型（RR型）指令或立即數(shù)型算術(shù)和邏輯操作：加、減、與、或、異或和移位等指令舉例指令名稱含義DADDU R1，R2，R3無符號加Regs[R1]←Regs[R2]+Regs[R3]DADDIU R4，R5，#6加無符號立即數(shù)Regs[R4]←Regs[R5]+6LUI R1，#4把立即數(shù)裝入到一個字的高16位Regs[R1]←032##4##016DSLL R1，R2，#5邏輯左移Regs[R1]←Regs[R2]<<5DSLTR1，R2，R3置小于If(Regs[R2]<Regs[R3])Regs[R1]←1elseRegs[R1]←02.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)R0的值永遠是0，它可以用來合成一些常用的操作。例如：DADDIUR1，R0，#100

給寄存器R1裝入常數(shù)100DADDR1，R0，R2

把寄存器R2中的數(shù)據(jù)傳送到寄存器R12.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由一組跳轉(zhuǎn)和一組分支指令來實現(xiàn)控制流的改變典型的MIPS控制指令2.6.6MIPS的控制指令指令舉例指令名稱含義Jname跳轉(zhuǎn)PC36··63←name<<2JALname跳轉(zhuǎn)并鏈接Regs[R31]←PC+4；PC36··63←name<<2；((PC+4)－227)≤name＜((PC+4)+227)JALRR3寄存器跳轉(zhuǎn)并鏈接Regs[R31]←PC+4；PC←Regs[R3]JRR5寄存器跳轉(zhuǎn)PC←Regs[R5]BEQZR4，name等于零時分支if(Regs[R4]==0)PC←name；((PC+4)－217)≤name＜((PC+4)+217)BNER3，R4，name不相等時分支if(Regs[R3]!=Regs[R4])PC←name((PC+4)－217)≤name＜((PC+4)+217)MOVZR1，R2，R3等于零時移動if(Regs[R3]==0)Regs[R1]←Regs[R2]2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)跳轉(zhuǎn)指令根據(jù)跳轉(zhuǎn)指令確定目標地址的方式不同以及跳轉(zhuǎn)時是否鏈接，可以把跳轉(zhuǎn)指令分成4種。確定目標地址的方式把指令中的26位偏移量左移2位（因為指令字長都是4個字節(jié)）后，替換程序計數(shù)器的低28位；間接跳轉(zhuǎn)：由指令中指定的一個寄存器來給出轉(zhuǎn)移目標地址。跳轉(zhuǎn)的兩種類型簡單跳轉(zhuǎn)：把目標地址送入程序計數(shù)器。跳轉(zhuǎn)并鏈接：把目標地址送入程序計數(shù)器，把返回地址（即順序下一條指令的地址）放入寄存器R31。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分支指令（條件轉(zhuǎn)移）分支條件由指令確定例如：測試某個寄存器的值是否為零提供一組比較指令，用于比較兩個寄存器的值。例如：“置小于”指令有的分支指令可以直接判斷寄存器內(nèi)容是否為負，或者比較兩個寄存器是否相等。分支的目標地址由16位帶符號偏移量左移兩位后和PC相加的結(jié)果來決定一條浮點條件分支指令：通過測試浮點狀態(tài)寄存器來決定是否進行分支。2.6MIPS指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由操作碼指出操作數(shù)是單精度（SP）或雙精度（DP）后綴S：表示操作數(shù)是單精度浮點數(shù)后綴D：表示是雙精度浮點數(shù)浮點操作包括加、減、乘、除，分別有單精度和雙精度指令。浮點數(shù)比較指令根據(jù)比較結(jié)果設(shè)置浮點狀態(tài)寄存器中的某一位，以便于后面的分支指令BC1T（若真則分支）或BC1F（若假則分支）測試該位，以決定是否進行分支。2.6.7MIPS的浮點操作LoongsonisaMIPS-compatiblefamilyofmicroprocessorsdesignedbytheChineseAcademyofSciences.TheinternalmicroarchitectureofLoongsonmicroprocessorswasdesignedindependentlybytheChinese,andearlyimplementationsofthefamilylackedfourinstructionspatentedbyMIPSTechnologies.InJune2009,ICTlicencedtheMIPS32andMIPS64architecturesdirectlyfromMIPSTechnologies.--fromwikipediaMeaninglessIndicator