第二章：指令系统的设计#

了解指令系统结构三种类型：堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构

哈夫曼编码基本思想

• 缩短编码长度；
• 理解并掌握指令操作码的优化（计算案例）

掌握并能灵活应用常用的MIPS指令

• MIPS指令特点（浮点寄存器与整数寄存器）、数据寻址方式
• MIPS三种指令格式：I类指令、R类指令、J类指令
• MIPS指令操作分为四大类：Load、分支与跳转、…、…

指令系统结构的分类#

区别不同指令系统结构的主要因素:

CPU中用来存储操作数的存储单元的类型

CPU中用来存储操作数的存储单元（指令使用的数据）

• 堆栈
• 累加器
• 通用寄存器组

根据操作数的来源不同，又可进一步分为:

• 寄存器-存储器结构（RM结构）(操作数可以来自存储器 )
• 寄存器-寄存器结构（RR结构）(所有操作数都是来自通用寄存器组)

也称为load-store结构，这个名称强调：只有load指令和store指令能够访问存储器。

表达式Z=X+Y在4种类型指令系统结构上的代码

通用寄存器型结构#

现代指令系统结构的主流

在灵活性和提高性能方面有明显的优势

• 寄存器的访问 速度比存储器快。
• 对编译器而言，能更加容易、有效地分配和使用 寄存器。
• 寄存器可以用来存放变量。

（1）减少对存储器的访问，加快程序的执行速度；（因为寄存器比存储器快）（例如for循环中的自变量）

（2）用更少的地址位（相对于存储器地址来说）来对寄存器进行寻址，从而有效地减少程序的目标代码的大小。

在 RISC 中，存储指令一般通过寄存器间接寻址的方式访问存储器

哈夫曼编码#

操作码优化的程度可以用信息熵来衡量 $H=-\sum^n_{i=1} p_i log_2 p_i$

H即为用二进制编码表示n个码点时, 理论上的最短平均编码长度

哈夫曼编码的基本思想: 缩短编码长度, 利用字符的出现频率, 通过变长编码给高频字符分配短码, 低频字符分配长码, 实现整体编码长度最短。

例2.1 假设某模型机有7条指令，这些指令的使用频度如表所示。

(1) 计算这7条指令的操作码编码的最短平均码长；

(2) 画出哈夫曼树，写出这7条指令的哈夫曼编码，并计算该编码的平均码长和信息冗余量。

解 （1）这7条指令的操作码编码的最短平均码长

$H=-\sum^7_{i=1} p_i log_2 p_i=2.17$

哈夫曼编码的平均码长：$H=\sum^7_{i=1} p_i l_i=0.4 \times 1 + 0.3 \times 2 + 0.15 \times 3 + 0.05 \times 5 + 0.04 \times 5 + 0.03 \times 5 + 0.03 \times 5 = 2.20$

哈夫曼编码优缺点：可以减少操作码的平均位数，但所获得的编码是变长度的，不规整，不利于硬件处理

扩展操作码: 位于定长二进制编码和哈夫曼编码之间的一种编码方案。

用两位的00、01、10分别用于表示使用频度高的I1、I2、I3，然后用11作为高位扩展出4个4位的二进制编码，用于表示剩下的4条指令。

平均码长 $H=\sum^7_{i=1} p_i l_i=2.3$

信息冗余量: $\frac{操作码的平均码长-H}{操作码的平均码长}$

哈夫曼编码: $(2.2-2.17)/2.2 \approx 1.36\%$

3位定长编码: $(3-2.17)/3 \approx 28\%$

拓展编码: $(2.3-2.17)/2.3 \approx 5.56\%$

MIPS指令#

指令特点#

特点: ALU指令的源和目标操作数都存放在寄存器中，只能通过Load和Store指令访问存储器，因此被称为Load-Store指令集结构；易于流水设计；寻址方式简单；操作简单

MIPS64 寄存器特点:

• 32个64位通用寄存器（GPRs）

R0，R1，…，R31, 也称为整数寄存器, R0的值永远是0

• 32个64位浮点数寄存器（FPRs）

F0，F1，…，F31, 用来存放32个单精度浮点数（32位），也可以用来存放32个双精度浮点数（64位）。存储单精度浮点数（32位）时，只用到FPR的一半，其另一半没用。

数据寻址方式#

MIPS数据寻址方式的特点:

• 立即数寻址与偏移量寻址, 立即数字段和偏移量字段都是16位的。
• 寄存器间接寻址是通过把0作为偏移量来实现的；
• 16位绝对寻址是通过把R0（其值永远为0）作为基址寄存器来完成的；

注意:

• MIPS的存储器是按字节寻址的，地址为64位；
• GPRS和FPRS之间的数据传送都是通过load和store指令来完成的。
• 所有存储器访问都必须是边界对齐的。
• 寻址方式编码到操作码中, 操作码占6位

MIPS数据寻址方式支持4种:

• 寄存器寻址：如ADD R1, R2；
• 立即数寻址：ADD R1, R2, #42，#42表示立即数。
• 偏移寻址： ADD R1, R2, 42（R3）
• 寄存器间接寻址： ADD R1, R2, 0（R3），0偏移量可以省略；

三种指令格式#

3种格式中，同名字段的位置固定不变。所有指令32位，操作码6位。固定长度

• I 类指令（立即数类型）： 用于加载(load)、存储(store)、分支、寄存器跳转(修改pc)、链接跳转(函数调用)

格式：[op(操作码), rs, rt, immediate(立即数)]。

rs: 源操作数寄存器编号 rt: 目标寄存器编号

load指令

访存有效地址：Regs[rs]＋immediate

从存储器取来的数据放入寄存器rt

store指令

访存有效地址：Regs[rs]＋immediate

要存入存储器的数据放在寄存器rt中

• R 类指令（寄存器类型）： 用于算术运算等操作，格式：[op, rs, rt, rd, shamt, funct]。

包括ALU指令，专用寄存器读/写指令，move指令等

所有的操作数来自寄存器

rs、rt分别表示源寄存器1和源寄存器2，rd表示目标寄存器，shamt字段用于移位操作，funct字段指定具体的操作类型。

ALU指令

Regs[rd]← Regs[rs] funct Regs[rt]

funct为具体的运算操作编码

• J 类指令（无条件转移）： 包括跳转指令，跳转并链接指令，自陷指令，异常返回指令。在这类指令中，指令字的低26位是偏移量，左移两位，它与PC值相加形成跳转的地址。

格式：[op, address]。 例如：j label。

MIPS指令操作分为四大类#

• Load/Store 指令：加载和存储数据，例如 lw、sw。
• 分支与跳转指令：条件或无条件跳转，例如 beq、j。
• 算术与逻辑指令 (ALU 操作) ：如 add、sub、and、or。
• 浮点操作指令 ：

符号的意义

• x←ny：从y传送n位到x
• x，y←z：把z传送到x和y

下标：表示字段中具体的位；

• 对于指令和数据，按从最高位到最低位（即从左到右）的顺序依次进行编号，最高位为第0位，次高位为第1位，依此类推。
• 下标可以是一个数字，也可以是一个范围。
• 例如：Regs[R4]0：寄存器R4中内容的符号位

Regs[R4]56-63：共63-56+1=8位，寄存器R4内容的最低一个字节

Mem：表示主存

• 按字节寻址，可以传输任意个字节。

上标：用于表示对字段进行复制的次数。

• 例如：032：一个32位长的全0字段