计算机体系结构4

1、u第第 4 4 周周 第第 1 1 节课节课u授课教师：授课教师： 陈天洲陈天洲u课件下载课件下载 http:/u操作码的类型如何说明操作码的类型如何说明u在在opcodeopcode中编码说明中编码说明u操作数带标志操作数带标志(tag)(tag)(自定义数据表示自定义数据表示) )u一般结构支持的数据类型一般结构支持的数据类型u字符字符(1B)(1B)、半字、半字(2B)(2B)、字、字(4B)(4B)、单精、单精度浮点度浮点(4B)(4B)、双精度浮点、双精度浮点(8B)(8B)u那种类型最常用，最需要硬件支持以提那种类型最常用，最需要硬件支持以提高效率高效率u数据通路的宽度：两个存储周

2、期访问一数据通路的宽度：两个存储周期访问一个双字够快吗？个双字够快吗？u字节访问是否要用原语实现？字节访问是否要用原语实现？5%4%91%0%0%0%34%66%11%0%89%0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%ByteHalfwordWordDoublewordGCCSpiceTexu寄存器字节、半字访问u总的字节、半字访问6%u如：Alpha 用多条指令实现字节、半字的读写u注：随着64位字的机器的出现，双字的访问频度将提高u程序代码的大小程序代码的大小u影响到影响到CPUCPU的实现（译码的难易、繁简）的实现（译码的难易、繁简）u编码考虑编码考虑u编译

3、角度看：尽量多的寄存器，尽量多的寻址编译角度看：尽量多的寄存器，尽量多的寻址方式方式u平均指令长度、平均代码长度平均指令长度、平均代码长度u是否易于实现（指令的规整性）是否易于实现（指令的规整性）u编码关键编码关键u寻址方式种类寻址方式种类uopcodeopcode与寻址方式的独立性与寻址方式的独立性u可变长指令编码：u操作种类多，寻址方式多u代码空间小，代码密度高，单条指令变化大。u定长指令编码：u操作种类少，寻址方式少u代码空间大，代码密度低，但格式固定，实现简单。u混合指令编码一、一、当前编译器的结构当前编译器的结构u编译目标编译目标u凡符合语法的程序均能生成正确的代码凡符合语法的程序均

4、能生成正确的代码u生成的代码有较高的执行速度生成的代码有较高的执行速度u优点：优点： 简化编译器设计的难度、复杂度简化编译器设计的难度、复杂度 易于保证正确性易于保证正确性u缺点：缺点： 阶段排序问题阶段排序问题 例：消去公共子表达式例：消去公共子表达式 u高层优化：用过程体取代过程调用语句高层优化：用过程体取代过程调用语句u局部优化：在不含转移分支的代码段进行局部优化：在不含转移分支的代码段进行 u消去公共子表达式、常数传播、压缩堆栈高度、消去公共子表达式、常数传播、压缩堆栈高度、调整表达式计算顺序等等调整表达式计算顺序等等u全局优化：跨代码段，一整套的循环优化全局优化：跨代码段，一整套的循

5、环优化u寄存器分配：寄存器分配：u表达式计算、传递参数、存放变量表达式计算、传递参数、存放变量u机器相关的优化机器相关的优化u降低操作强度、流水线调度降低操作强度、流水线调度u变量如何分配？变量如何分配？ 如何寻址？需要多少寄如何寻址？需要多少寄存器用于分配变量？存器用于分配变量？u高层语言分配数据的方法：高层语言分配数据的方法： Stack： 局部变量、标量局部变量、标量 全局数据区：全局变量、常数、全局数据区：全局变量、常数、array Heap：动态数据对象，以指针访问：动态数据对象，以指针访问 至少至少16个通用寄存器个通用寄存器+分开的浮点寄存器分开的浮点寄存器u编译的困难编译的困难

6、程序大、交互性、编译本身的结构程序大、交互性、编译本身的结构u编译器的设计准则编译器的设计准则u高频事件要快、低频事件要正确高频事件要快、低频事件要正确u系统结构支持：系统结构支持：u规整性规整性u提供原语而不要解提供原语而不要解u简化选择标准简化选择标准一、DLX设计宗旨u简单的LOAD/STORE指令集u提高流水线效率，采用定长指令格式编码u编译效率 u通用寄存器指令集结构通用寄存器指令集结构u寻址模式：寻址模式： 位移量寻址位移量寻址(12-16); (12-16); 立即数寻址立即数寻址(8-16); (8-16); 寄存器间接寻址寄存器间接寻址u提供并支持最常用的指令提供并支持最常用

7、的指令u数据类型：数据类型：8 8，1616，3232，64bit64bitu用定长指令编码用定长指令编码u至少至少1616个通用寄存器，数据传输指令中允个通用寄存器，数据传输指令中允许所有的数据类型和所有的寻址模式许所有的数据类型和所有的寻址模式uDLX寄存器寄存器uR0R31，F0F31，F0、F2、F30、专用寄存器、专用寄存器u数据类型数据类型u字节、半字字节、半字(Load用用), 字，双字字，双字u寻址模式寻址模式u立即数、位移量（寄存器间接立即数、位移量（寄存器间接 D=0；绝对寻址；绝对寻址基址寄存器基址寄存器=R0）upc相对寻址相对寻址u指令格式指令格式uDLX提供的操作提

8、供的操作u设计目标设计目标简单的编译器，高代码密度简单的编译器，高代码密度 流水线，硬件简单、优化编译器流水线，硬件简单、优化编译器u系统结构设计实现系统结构设计实现强指令功能、强寻址模式、高效指令编码强指令功能、强寻址模式、高效指令编码、较少寄存器、较少寄存器 简单指令功能、简单寻址模式、简单指令功能、简单寻址模式、定长编码、大量寄存器定长编码、大量寄存器u性能性能 CCMIPS= CC VAX ICMIPS = 2ICVAX CPIMIPS =1/6 CPIVAX CPU TIME MIPS = 1/3 CPU TIME VAX 硬件硬件 MIPS 硬件硬件VAXu2.1u2.2u2.10

9、u直接影响uCPIu时钟频率 u处理器分为两部分 u数据通道 uALUu寄存器u控制器 （重点）u流程u数据从主存取出u经数据通道的处理u得到所需要的结果u送回主存存放。 u数据通道的执行受控制器的控制 uStored programu程序数据的地位是等同的,一起存储在主存中 uPCu程序计数器 u在主存中寻找到指令 u每次执行PC增加一个指令长度（顺序执行）u完成PC递增 u通用的计算功能模块 u能对数据不加处理而直接传送 u非记忆 uMAR即Memory Address Register,存放访问内存的地址uMDR则是memory data register,存放从内存取回的数据uTemp

10、是一个数据访问中起着暂存作用的寄存器uIAR专为中断使用 u寄存器堆 u存贮器层次结构中的最高层 u最小u最快 u书本100页的图形u书本图片的错误：寄存器堆输出的A，有一条连线连到S1数据总线u取指令 u解码/寄存器读出 u执行/有效地址计算 u访存/完成跳转 u写回 u两种最常用的设计与实现途径u硬连线控制(Hardwired control)u微程序控制(microprogrammed control)u控制器可看作一个有限状态图 u每个状态对应一个时钟周期u各状态中有一些特定的输出对应着各时钟周期中数据通道要做的工作 u硬连线逻辑复杂u可编程逻辑阵列PLA u固化在控制器u每条机器指令码对应一段程序u微指令 u微指令程序计数器u控存 u微指令的结构 目的寄存器 ALU操作源 寄存 器1源 寄存 器2常数外 部操作跳 转条件跳 转地址u垂直微代码 u规定了每次只能有一个寄存器接收数据u可以根据这一点对此域编码 u所占控存少,格式紧凑但要附加硬件电路,硬件开销较大u水平微代码u无需加解释电路,信号直接用于控制,时延短,硬件开销小 u