第4章中央处理器设计(RISC)要点解析.ppt

第4章 中央处理器设计（RISC） 中央处理器也简称为处理器（或称为CPU）是组成计算机系统的核心部件，是计算机组成原理研究的主要内容之一。 4.1 计算机组成的层次概念 软件 应用软件 系统软件 编译 指令系统 硬件 数据路径 数字电路 物理实现 4.2 RISC与CISC 4.2.2 精简指令系统计算机体系结构 精简指令系统的依据 通过优化典型的高级语言程序中最耗费时间的操作，能够更好地支持高级语言。RISC结构通常体现如下几点： 首先是使用大量的寄存器； 其次，要精心设计流水线； 最后，应采用相对简单的指令系统。这对于在单一芯片上实现CPU是有益的。 4.2.2 精简指令系统计算机体系结构 精简指令系统的特征 指令系统简单； 只有load和store指令可以访问存储器； 简单的寻址方式； 固定长度的指令格式。 4.3 模型机的指令系统 模型机指令系统的设计原则是： 采用简单的指令系统 规模适度 认真权衡利弊 加快经常性事件的运行速度 4.3.1把模型机的汇编语句翻译成机器指令 模型机的加法指令： add T0，S1，S2 用十进制表示是 寄存器S0到S7相对应的是寄存器16到23，寄存器T0到T7相对应的是寄存器8到15。 4.3.2 模型机的指令格式 模型机指令中每一个字段名称的含义如下： Op：指令的基本操作，称为操作码 rs：第一个源操作数寄存器 rt：第二个源操作数寄存器 rd：目标操作数寄存器，它存放的是指令操作的结果 shamt：暂时不用。 funct：这个字段选择Op字段中的具体操作，有时被称为function字段或功能字段。 4.3.3 模型机寻址方式 寄存器寻址方式 首先约定如下的符号：用Rs、Rt、Rd分别表示rs、rt、rd字段（见图4.2）描述的寄存器中存储的数据。 算术运算（如add）指令采用的是寄存器寻址方式，它的三个操作数都在寄存器中。 设有以下算术运算指令：add T0，R1，R2。其含义是将寄存器R1和R2中的值求和，并将其结果存放于寄存器T0中。R1、R2、T0分别对应于指令格式中的rs、rt、rd字段所表示的寄存器（见图4.2）中存储的数据，即Rs、Rt、Rd。此时Rd=Rs+Rt。 4.3.3 模型机寻址方式 基址寻址方式 基址寻址方式的有效地址按下式计算： EA=Rs+address （4.1） 其中address是指令格式中的低16位字段（图4.2）的数值。 基址寻址方式对应的指令格式称为I格式（ I类型）。 数据传送指令使用I格式。 4.3.3 模型机寻址方式 load指令采用基址寻址方式（I格式，图4.2） 把数据从存储器中读到寄存器中的情况称为读（load）。load指令的功能如下： Rt←M(Rs+address)或记为Rt=M(Rs+address) load指令的用法举例： 例如：指令load T0, 32(S3) 将基址寄存器S3（位于指令的rs字段）的内容加上32（位于指令的address字段），其求和后的结果作为存储器的地址，用该地址访问存储器，将其内容读出，再写入到寄存器T0中，T0由指令的rt字段标识。 4.3.3 模型机寻址方式 store指令采用基址寻址方式（I格式，图4.2） store指令的功能是将寄存器rt中的数据传送（写）到存储器当中去，存储器的地址也由（4.1）式计算。store指令的功能如下： M(Rs+address)←Rt或记为M(Rs+address)=Rt store指令的用法举例： 例如：指令store T0, 32(S3) 将寄存器T0（T0由指令的rt字段标识）中的内容写入到存储器中去，存储器的地址为基址寄存器S3（位于指令的rs字段）的内容加上32（位于指令的address字段）。 4.3.3 模型机寻址方式 立即寻址方式（图4.2） 加法指令中，如果有一个操作数为常数，则称为立即数加法指令，记为addi。寄存器SP加常数4就可以写成： addi SP，SP，4 //SP=SP+4 4.3.3 模型机寻址方式 在RISC中，通常提供一个特殊的寄存器，称为ZERO寄存器，寄存器ZERO中的值始终为零。 为了和其他值比较，就必须有一个立即数形式的小于比较指令。如比较S2是否小于10，其判断条件可写成： slti T0，S2，10 // 如果S210，则T0=1 后面紧接着的指令可以通过判断T0是否等于1来确定S2是否小于10。 4.3.3 模型机寻址方式 32位常数的处理 lui指令：它用来设置寄存器中某常数的高16位，并允许下一条指令指定此常数的低16位。 例如：lui T0，255 // T0为寄存器8 指令lui T0，255的功能是将指令中的16位立即数2