指令集体系

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概述

指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）

  • IA-32(x86)
  • MIPS
  • RISC-V

中央处理器（Central Processing Unit, CPU）

  • IA-32 架构（CISC）
  • MIPS 架构（RISC）
  • RISC-V 架构（RISC）
  • ARM 架构（RISC）

指令集体系

  • 某台计算机能够执行的机器指令的集合
  • 计算机能够执行的操作和每一步操作涉及的数据
    • 运算部件
    • 寄存器、存储器
  • 明确了在这台机器上编写软件时所要注意的全部信息
  • 规定了程序员使用机器语言编程时的全部信息
  • 将高级语言编写的程序翻译为机器语言时，ISA 也为翻译器提供了关于该计算机的信息
  • ISA 规定了存储器的组织，寄存器集和指令集，包括操作码，数据类型和寻址模式等

寄存器（Register）

  • 机器语言和汇编语言不能使用各种类型的变量
  • 寄存器变量没有数据类型
  • 机器语言和汇编语言的操作对象是寄存器
  • 好处：寄存器是最快的数据存取单元
  • 缺陷：寄存器数量有限，需仔细高效的使用
  • MIPS 包括 32 个通用寄存器，字长 32 位，即 1 word=32 bits=4 bytes\pu{1 word} = \pu{32 bits} = \pu{4 bytes}

MIPS 寄存器

  • 32 个 32 位通用寄存器 $0~$31
  • 32 个 32 位单精度浮点寄存器 $f0~$f31
  • 2 个 32 位乘、商寄存器 Hi 和 Lo
  • 1 个程序寄存器 PC
  • 无程序状态寄存器
通用寄存器 助记符 释义
0 $zero 固定值为 0，硬件置位
1 $at 汇编器保留，临时变量
2~3 $v0~$v1 函数调用返回值
4~7 $a0~$a3 函数调用参数
8~15 $t0~$t7 暂存寄存器，被调用者按需保存
16~23 $s0~$s7 保存寄存器，调用者保存
24~25 $t8~$t9 暂存寄存器，同上
26~27 $k0~$k1 操作系统保留，中断异常处理
28 $gp 全局指针（Global Pointer）
29 $sp 栈指针（Stack Pointer）
30 $fp 帧指针（Frame Pointer）
31 $ra 函数返回地址（Return Address）

RISV-V 整型寄存器

Register name Symbolic name Description Saved by
x0 Zero Always zero -
x1 ra Return address Caller
x2 sp Stack pointer Callee
x3 gp Global pointer -
x4 tp Thread pointer -
x5 t0 Temporary/alternate return register Caller
x6~x7 t1~t2 Temporary Caller
x8 s0/fp Saved register/frame pointer Callee
x9 s1 Saved register Callee
x10~x11 a0~a1 Function argument/return value Caller
x12~x17 a2~a7 Function argument Caller
x18~x27 s2~s11 Saved register Callee
x28~x31 t3~t6 Temporary Caller

寄存器数据存储

  • 字长：32 位，4 字节
  • 5 位编码识别
  • 左边字节称为高字节
  • 右边字节称为低字节
  • 大端（Big Endian）：高位优先
  • 小端（Little Endian）：低位优先
  • 存储在每个寄存器中的位数通常是 1 个字（即 32 位）

浮点寄存器

  • 用于单精度或双精度计算
  • 5 位编码识别
  • 单精度浮点数使用 1 个寄存器
  • 双精度浮点数使用 2 个寄存器

MIPS 指令

加减法运算

1
2
a = b + c;
d = e - f;

对应的 MIPS 汇编指令（a, b, c 对应寄存器 $s0, $s1, $s2；d, e, f 对应寄存器 $s3, $s4, $s5）

1
2
add $s0, $s1, $s2
sub $s3, $s4, $s5

另一个例子

a = b + c + d - e;

对应的 MIPS 汇编指令

1
2
3
add $t0, $s1, $s2   # temp = b    + c
add $t0, $t0, $s3   # temp = temp + d
sub $s0, $t0, $s4   # a    = temp - e

和常数相加，如

g += 4; // 4 在内存中

对应的 MIPS 汇编指令

1
2
lw  $t0, 0($s3)    # $s3 = Address(4)
add $s0, $s0, $t0   # g   = g + temp

上面的 0($s3) 中，0 是偏移量，$s3 是基址寄存器。

g += 4; // 4 在指令中

对应的 MIPS 汇编指令（加立即数，i 即 immediate）

addi $s0, $s0, 4   # g = g + 4

内存数据访问

g = h + A[8];

对应的 MIPS 汇编指令

1
2
lw  $t0, 32($s3)    # $s3 = Address(A[0])
add $s0, $s1, $t0   # g   = h + A[8]

变址寻址：基址寄存器 + 地址偏移量

上面的例子中，32 byte=8×4 byte\pu{32 byte} = 8 \times \pu{4 byte}，因为一个字长为 4 字节。

写内存

A[12] = h + A[8];

对应的 MIPS 汇编指令

1
2
3
lw  $t0, 32($s3)    # $s3 = Address(A[0])
add $t0, $s2, $t0   # temp = h + A[8]
sw  $t0, 48($s3)    # A[12] = temp

条件判断

1
2
3
4
5
if (a == b) {
    i = 1;
} else {
    i = 2;
}

等效 C 代码

1
2
3
4
5
if (a == b) goto L1;
i = 2;
goto L2;
L1: i = 1;
L2:

等效 MIPS 汇编指令（beq 即 branch if equal，j 即 jump）

1
2
3
4
5
    beq  $s0, $s1, L1
    addi $s3, $zero, 2
    j    L2
L1: addi $s3, $zero, 1
L2:

跳转

条件跳转

1
2
beq reg1, reg2, label
bne reg1, reg2, label

无条件跳转

j label

指令集

指令：

  • 操作码（Opcode）：指令的类型
  • 操作数（Operand）：指令的参数

指令集是由一组操作码、操作数和寻址模式定义的指令集合。

寻址模式决定了如何计算将要读取/存储的存储单元的地址。

  • CISC（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令集计算机
    • 指令系统复杂：变长操作码/变长指令字/指令多/寻址方式多/指令格式多
    • 指令周期长：绝大多数指令需要多个时钟周期才能完成
    • 各种指令都能访问存储器：除了专门的存储器读写指令外，运算指令也能访问存储器
    • 采用微程序控制
    • 有专用寄存器
    • 难以进行编译优化来生成高效目标代码
  • RISC（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令集计算机
    • 简化的指令系统：指令少/寻址方式少/指令格式少/指令长度一致
    • 以 RR（register-to-register）方式工作：除 Load/Store 指令
      可访问存储器外，其余指令都只访问寄存器
    • 指令周期短：以流水线方式工作，因而除 Load/Store 指令外，其他简单指令都只需一个或一个不到的时钟周期就可完成
    • 采用大量通用寄存器，以减少访存次数
    • 采用组合逻辑电路控制，不用或少用微程序控制
    • 采用优化的编译系统，力求有效地支持高级语言程序

指令分类

表示一条指令的机器字，称为指令字，简称指令。

  • 按计算机系统的层次结构分类
    • 微指令
    • 机器指令
    • 宏指令
  • 按操作数物理位置分类
    • 存储器－存储器（SS）型
    • 寄存器－寄存器（RR）型
    • 寄存器－存储器（RS）型
  • 按指令长度分类
    • 定长指令
    • 变长指令
  • 按操作数个数分类
    • 四操作数
    • 三操作数
    • 二操作数
    • 单操作数
    • 零操作数
  • 按指令功能分类

指令长度：指令中包含二进制代码的位数。

  • 指令字越长，地址码长度越长，可直接寻址空间越大
  • 指令字越长，占用空间越大，取指令越慢

指令寻址方式

  • 指令寻址
    • 顺序寻址
    • 跳转寻址
  • 操作数寻址
    • 立即寻址
    • 寄存器寻址
    • 间接寻址
    • 基址/变址寻址

指令寻址

  • 顺序寻址
    • 程序对应的机器指令序列按先后顺序依次存放
    • 程序执行时从第一条指令开始，逐条取出并顺序依次执行
  • 跳转寻址
    • 当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执行顺序
    • 下条指令的地址由指令本身给出

操作数寻址

  • 立即寻址：操作数字段是操作数本身。

例如 MOV $s0, 38H（将立即数 38H 移动到寄存器 $s0）

  • 寄存器寻址：操作数在 CPU 的内部寄存器中。

例如 PUSH $s0（将寄存器 $s0 的内容压入栈）

MIPS 指令集

  • 指令格式
    • R 型指令
    • I 型指令
    • J 型指令
  • 无寻址方式，隐藏在了操作码字段 OP 中

R-Type 指令格式（Register）

  • op: 操作码
  • rs: 源寄存器
  • rt: 目的寄存器
  • rd: 目的寄存器
  • shamt: 移位量
  • funct: 功能码

I-Type 指令格式（Immediate）

  • op: 操作码
  • rs: 源寄存器
  • rt: 目的寄存器
  • immediate: 立即数

J-Type 指令格式（Jump）

  • op: 操作码
  • target address: 目标地址（立即数）

R-Type 指令

ADD
op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg Reg Reg 0 32 
ADD rd, rs, rt

即 GPR[rd] <- GPR[rs] + GPR[rt][1]。

SUB
op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg Reg Reg 0 34 
SUB rd, rs, rt

即 GPR[rd] <- GPR[rs] - GPR[rt]。

AND
op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg Reg Reg 0 36 
AND rd, rs, rt

即 GPR[rd] <- GPR[rs] and GPR[rt]。

OR
op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg Reg Reg 0 37 
OR rd, rs, rt

即 GPR[rd] <- GPR[rs] or GPR[rt]。

SLL(Shift Left Logical)

即逻辑左移。

op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 0 Reg Reg X 0 
SLL rd, rt, shamt

即 GPR[rd] <- GPR[rt] << shamt。

SLT(Set on Less Than)

op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg Reg Reg 0 42 
SLT rd, rs, rt

即 GPR[rd] <- (GPR[rs] < GPR[rt])。若 GPR[rs] < GPR[rt]，则 GPR[rd] 被置为 1，否则置为 0。

JR(Jump Register)

op(10) rs rt rd shamt funct(10)
0 Reg 0 0 0 9 
JR rs

即 PC <- GPR[rs][2]。

程序设计中 rs 应使用除了 31($ra) 以外的寄存器。

I-Type 指令

ADDI

op(10) rs rt immediate
8 Reg Reg 16bits 立即数 
ADDI rt, rs, immediate

即 GPR[rt] <- GPR[rs] + immediate。immediate 为有符号数。

当结果的二进制补码发生溢出时，rt 不会被修改，结果被丢弃。

v6 中舍弃了 ADDI 指令，使用 ADDIU 代替，因为二者在不溢出时行为相同。

ANDI

op(10) rs rt immediate
12 Reg Reg 16bits 立即数 
ANDI rt, rs, immediate

即 GPR[rt] <- GPR[rs] and ZeroExtend(immediate)。immediate 被零扩展为 32 位。

SLTI

op(10) rs rt immediate
10 Reg Reg 16bits 立即数 
SLTI rt, rs, immediate

即 GPR[rt] <- (GPR[rs] < SignExtend(immediate))。immediate 被符号扩展为 32 位。

LW(Load Word)

op(10) rs rt immediate
35 Reg Reg 16bits 立即数 
LW rt, immediate(rs)

即 GPR[rt] <- Memory[GPR[rs] + SignExtend(immediate)]。将主存（Memory）中 32 位的字取到寄存器 rt 中。

地址由 GPR[rs] + offset 确定，rs 寄存器中的值为基址，immediate 16 位立即数为有符号偏移量，相加后给出有效地址。

LH(Load Halfword)

op(10) rs rt immediate
33 Reg Reg 16bits 立即数 
LH rt, immediate(rs)

即 GPR[rt] <- SignExtend(Memory[GPR[rs] + SignExtend(immediate)])。将主存中 16 位的半字取到寄存器 rt 中。

LUI(Load Upper Immediate)

op(10) rs rt immediate
31 0 Reg 16bits 立即数 
LUI rt, immediate

即 GPR[rt] <- immediate << 0(16)。将 16 位立即数取到寄存器 rt 的高 16 位半字中。

实际操作中，是将 16 位立即数左移 16 位，再与 16 个低位的 0 拼接，将拼接后的 32 位数存入寄存器 rt 中。

SW(Store Word)

op(10) rs rt immediate
43 Reg Reg 16bits 立即数 
SW rt, immediate(rs)

即 Memory[GPR[rs] + SignExtend(immediate)] <- GPR[rt]。将寄存器 rt 中低 32 位的字存入主存中。

BEQ(Branch on Equal)

op(10) rs rt immediate
4 Reg Reg 16bits 立即数 
BEQ rs, rt, immediate

即 if GPR[rs] == GPR[rt] then branch。如果寄存器 rs 和 rt 中的值相等，则发生跳转。

跳转地址为 PC + 4 + (SignExtend(immediate) << 2)。

则 BEQ r0, r0, immediate 为无条件跳转。

使用这样的方式，branch 就为 PC + 4 * (immediate + 1)。

BNE(Branch on Not Equal)

op(10) rs rt immediate
5 Reg Reg 16bits 立即数 
BNE rs, rt, immediate

即 if GPR[rs] != GPR[rt] then branch。如果寄存器 rs 和 rt 中的值不相等，则发生跳转。

J-Type 指令

J(Jump)

op(10) target address
2 26bits 立即数 
J target

即 PC <- PC[31:28] || target || 00。

跳转地址为，26bits 立即数左移两位，与 PC 的高四位拼接。

op(10) target address
3 26bits 立即数 
JAL target

即 GPR[31] <- PC + 4 与 PC <- PC[31:28] || target || 00。

将返回地址存入 31($ra) 寄存器，再跳转。

RISC-V 指令集

略。

  1. GPR 为通用寄存器（General Purpose Register）。 ↩︎

  2. PC 为程序计数器（Program Counter）。 ↩︎