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1、计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构第二章第二章 指令系统指令系统(第三讲第三讲)计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构7.MIPS指令系统结构指令系统结构oLoad/Store型指令集结构型指令集结构oMIPS是一种是一种多元指令集结构多元指令集结构n体现了当今多种机器（体现了当今多种机器（AMD29K、DEC station 3100、HP850、IBM 801、Intel i860、MIPS M/120A、MIPS M/1000、Motorola 88k、RISC I、SGI4D/60、SPARC station 1、Sun 4/110、Sun 4/
2、260等）的指令集结构的共同特点。等）的指令集结构的共同特点。n还将会体现未来一些机器的指令集结构的特点。还将会体现未来一些机器的指令集结构的特点。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构指令集结构o具有一个简单的具有一个简单的Load/Store指令集；指令集；o注重指令流水效率；注重指令流水效率；o简化指令的译码；简化指令的译码；o高效支持编译器。高效支持编译器。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：寄存器寄存器32323232个个个个32323232位位位位的的的的通通通通用用用用寄寄寄寄存存存存器（器（
3、器（器（GPRsGPRsGPRsGPRs）。）。）。）。寄寄寄寄存存存存器器器器R0R0R0R0的的的的内内内内容容容容恒恒恒恒为为为为全全全全0 0 0 0。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：数据类型数据类型o整型数据：整型数据：n8位、位、16位、位、32位。位。o浮点数据：浮点数据：n32位单精度浮点；位单精度浮点；n64位双精度浮点；位双精度浮点；nIEEE 754标准。标准。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：寻址方式寻址方
4、式o寄存器寻址；如寄存器寻址；如ADD R1,R2,R3o立即值寻址；如立即值寻址；如ADD R1,R2,#42o偏移寻址；偏移寻址；如如ADD R1,R2,40(R3)o寄存器间接寻址。存储器地址宽度为寄存器间接寻址。存储器地址宽度为32位。位。如如ADD R1,R2,0(R3)计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：指令格式指令格式计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：指令格式指令格式计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结
5、构MPIS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型oLoad和和Store操作；操作；oALU操作；操作；o分支和跳转操作；分支和跳转操作；o浮点操作。浮点操作。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型o域的下标域的下标用来表明从该域中选择某一位。域用来表明从该域中选择某一位。域中位的标记是从最高位开始标记，并且起始中位的标记是从最高位开始标记，并且起始标记为标记为0。下标可以是一个单独的数字，如。下标可以是一个单独的数字，如RegsR40表示选择寄存器表示选择寄存器R4中内
6、容的符中内容的符号位；下标也可以是一个范围，如号位；下标也可以是一个范围，如RegsR324.31表示选择寄存器表示选择寄存器R3中内容中内容的最低一个字节。的最低一个字节。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型RegsR1016.31 16(MemRegsR80)8#MemRegsR8R8R10计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型oLoad和和Store操作操作：可以对：可以对MIPS的所有的所有通用寄存
7、器和浮点寄存器进行通用寄存器和浮点寄存器进行Load（载入）（载入）和和Store（储存）操作，（储存）操作，但是对通用寄存器但是对通用寄存器R0的的Load操作没有任何效果操作没有任何效果。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型oALU操作操作：在：在MIPS中，所有的中，所有的ALU指令都是寄指令都是寄存器寄存器型指令，其运算包含了简单的算术和存器寄存器型指令，其运算包含了简单的算术和逻辑运算，如加、减、逻辑运算，如加、减、AND、OR、XOR和移位。和移位。o“设置相
8、等设置相等”、“设置不等设置不等”、“设置小于设置小于”：寄：寄存器比较指令（存器比较指令（，），如果比较），如果比较结果为真，这些指令就在目标寄存器中填入结果为真，这些指令就在目标寄存器中填入1（表（表示真），否则填入示真），否则填入0（表示假）。（表示假）。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型指令指令实实例例指令名称指令名称含含 义义Add R1,R2,R3加加RegsR1 RegsR2+RegsR3ADDI R1,R2,#3和立即和立即值值相加相加RegsR1 RegsR2+3LHI R1,#42载载入高位立即入高位立即
9、值值RegsR1 42#016SLLI R1,R2,#5逻辑逻辑左移立即左移立即值值形形式式RegsR1 RegsR2 5SLT R1,R2,R3设设置小于置小于if (RegsR2 RegsR3)RegsR1 1 else RegsR1 0计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型o描述目标地址的方法：描述目标地址的方法：n其中两种类型的跳转指令用带符号位的其中两种类型的跳转指令用带符号位的26位偏位偏移量移量加上加上程序计数器程序计数器的值来确定跳转的目标地的值来确定跳转的目标地址；址；n另外两种类型的跳转指令则指定一个另外两种
10、类型的跳转指令则指定一个寄存器寄存器，由寄存器中的内容决定跳转的目标地址。由寄存器中的内容决定跳转的目标地址。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型o两种跳转类型：两种跳转类型：n一种是简单跳转；一种是简单跳转；n另一种是跳转并链接（用于过程调用），它将另一种是跳转并链接（用于过程调用），它将下一条顺序指令地址（返回地址）保存在寄存下一条顺序指令地址（返回地址）保存在寄存器器R31中。中。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS指令集结构：指令集结构：操作类型操作类型指令指令实实例例指令名称指令名称含含义
11、义J name跳跳转转PC namePC+4;-225name 225JAL name跳跳转转并并链链接接RegsR31 PC+4;PC name+PC+4;-225name 225JR R3寄存器型跳寄存器型跳转转PC RegsR3;JALR R2寄存器型跳寄存器型跳转转并并链链接接RegsR31PC+4;PC RegsR2;BEQZ R4,name“等于等于0”分支分支if (RegsR4=0)PC name+PC+4;-215name 215BNEZ R4,name“不等于不等于0”分支分支if (RegsR4!=0)PC name+PC+4;-215name 215计算机体系结构计算机
12、体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS中的常用指令中的常用指令计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS中的常用指令中的常用指令计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构MIPS的效能分析的效能分析o问题的提出问题的提出：nMIPS指令集结构的指令格式、寻址方式和操作指令集结构的指令格式、寻址方式和操作都非常简单。也许有人会担心，这些特性会使都非常简单。也许有人会担心，这些特性会使得目标代码中指令条数增多，导致程序运行时得目标代码中指令条数增多，导致程序运行时间加长，从而使这种指令集结构的机器性能并间加长，从而使这种指令集结构的机器性能并不会太高。不会太高。计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构计算机体系结构