計算機體系結(jié)構(gòu)4

1、u第第 4 4 周周 第第 1 1 節(jié)課節(jié)課u授課教師：授課教師： 陳天洲陳天洲u課件下載課件下載 http:/u操作碼的類型如何說明操作碼的類型如何說明u在在opcodeopcode中編碼說明中編碼說明u操作數(shù)帶標(biāo)志操作數(shù)帶標(biāo)志(tag)(tag)(自定義數(shù)據(jù)表示自定義數(shù)據(jù)表示) )u一般結(jié)構(gòu)支持的數(shù)據(jù)類型一般結(jié)構(gòu)支持的數(shù)據(jù)類型u字符字符(1B)(1B)、半字、半字(2B)(2B)、字、字(4B)(4B)、單精、單精度浮點度浮點(4B)(4B)、雙精度浮點、雙精度浮點(8B)(8B)u那種類型最常用，最需要硬件支持以提那種類型最常用，最需要硬件支持以提高效率高效率u數(shù)據(jù)通路的寬度：兩個存儲周

2、期訪問一數(shù)據(jù)通路的寬度：兩個存儲周期訪問一個雙字夠快嗎？個雙字夠快嗎？u字節(jié)訪問是否要用原語實現(xiàn)？字節(jié)訪問是否要用原語實現(xiàn)？5%4%91%0%0%0%34%66%11%0%89%0%0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%ByteHalfwordWordDoublewordGCCSpiceTexu寄存器字節(jié)、半字訪問u總的字節(jié)、半字訪問6%u如：Alpha 用多條指令實現(xiàn)字節(jié)、半字的讀寫u注：隨著64位字的機器的出現(xiàn)，雙字的訪問頻度將提高u程序代碼的大小程序代碼的大小u影響到影響到CPUCPU的實現(xiàn)（譯碼的難易、繁簡）的實現(xiàn)（譯碼的難易、繁簡）u編碼考慮編碼考慮u編譯

3、角度看：盡量多的寄存器，盡量多的尋址編譯角度看：盡量多的寄存器，盡量多的尋址方式方式u平均指令長度、平均代碼長度平均指令長度、平均代碼長度u是否易于實現(xiàn)（指令的規(guī)整性）是否易于實現(xiàn)（指令的規(guī)整性）u編碼關(guān)鍵編碼關(guān)鍵u尋址方式種類尋址方式種類uopcodeopcode與尋址方式的獨立性與尋址方式的獨立性u可變長指令編碼：u操作種類多，尋址方式多u代碼空間小，代碼密度高，單條指令變化大。u定長指令編碼：u操作種類少，尋址方式少u代碼空間大，代碼密度低，但格式固定，實現(xiàn)簡單。u混合指令編碼一、一、當(dāng)前編譯器的結(jié)構(gòu)當(dāng)前編譯器的結(jié)構(gòu)u編譯目標(biāo)編譯目標(biāo)u凡符合語法的程序均能生成正確的代碼凡符合語法的程序均

4、能生成正確的代碼u生成的代碼有較高的執(zhí)行速度生成的代碼有較高的執(zhí)行速度u優(yōu)點：優(yōu)點： 簡化編譯器設(shè)計的難度、復(fù)雜度簡化編譯器設(shè)計的難度、復(fù)雜度 易于保證正確性易于保證正確性u缺點：缺點： 階段排序問題階段排序問題 例：消去公共子表達(dá)式例：消去公共子表達(dá)式 u高層優(yōu)化：用過程體取代過程調(diào)用語句高層優(yōu)化：用過程體取代過程調(diào)用語句u局部優(yōu)化：在不含轉(zhuǎn)移分支的代碼段進行局部優(yōu)化：在不含轉(zhuǎn)移分支的代碼段進行 u消去公共子表達(dá)式、常數(shù)傳播、壓縮堆棧高度、消去公共子表達(dá)式、常數(shù)傳播、壓縮堆棧高度、調(diào)整表達(dá)式計算順序等等調(diào)整表達(dá)式計算順序等等u全局優(yōu)化：跨代碼段，一整套的循環(huán)優(yōu)化全局優(yōu)化：跨代碼段，一整套的循

5、環(huán)優(yōu)化u寄存器分配：寄存器分配：u表達(dá)式計算、傳遞參數(shù)、存放變量表達(dá)式計算、傳遞參數(shù)、存放變量u機器相關(guān)的優(yōu)化機器相關(guān)的優(yōu)化u降低操作強度、流水線調(diào)度降低操作強度、流水線調(diào)度u變量如何分配？變量如何分配？ 如何尋址？需要多少寄如何尋址？需要多少寄存器用于分配變量？存器用于分配變量？u高層語言分配數(shù)據(jù)的方法：高層語言分配數(shù)據(jù)的方法： Stack： 局部變量、標(biāo)量局部變量、標(biāo)量 全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)：全局變量、常數(shù)、全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)：全局變量、常數(shù)、array Heap：動態(tài)數(shù)據(jù)對象，以指針訪問：動態(tài)數(shù)據(jù)對象，以指針訪問 至少至少16個通用寄存器個通用寄存器+分開的浮點寄存器分開的浮點寄存器u編譯的困難編譯的困難

6、程序大、交互性、編譯本身的結(jié)構(gòu)程序大、交互性、編譯本身的結(jié)構(gòu)u編譯器的設(shè)計準(zhǔn)則編譯器的設(shè)計準(zhǔn)則u高頻事件要快、低頻事件要正確高頻事件要快、低頻事件要正確u系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)支持：u規(guī)整性規(guī)整性u提供原語而不要解提供原語而不要解u簡化選擇標(biāo)準(zhǔn)簡化選擇標(biāo)準(zhǔn)一、DLX設(shè)計宗旨u簡單的LOAD/STORE指令集u提高流水線效率，采用定長指令格式編碼u編譯效率 u通用寄存器指令集結(jié)構(gòu)通用寄存器指令集結(jié)構(gòu)u尋址模式：尋址模式： 位移量尋址位移量尋址(12-16); (12-16); 立即數(shù)尋址立即數(shù)尋址(8-16); (8-16); 寄存器間接尋址寄存器間接尋址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數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)類型：8 8，1616，3232，64bit64bitu用定長指令編碼用定長指令編碼u至少至少1616個通用寄存器，數(shù)據(jù)傳輸指令中允個通用寄存器，數(shù)據(jù)傳輸指令中允許所有的數(shù)據(jù)類型和所有的尋址模式許所有的數(shù)據(jù)類型和所有的尋址模式uDLX寄存器寄存器uR0R31，F(xiàn)0F31，F(xiàn)0、F2、F30、專用寄存器、專用寄存器u數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型u字節(jié)、半字字節(jié)、半字(Load用用), 字，雙字字，雙字u尋址模式尋址模式u立即數(shù)、位移量（寄存器間接立即數(shù)、位移量（寄存器間接 D=0；絕對尋址；絕對尋址基址寄存器基址寄存器=R0）upc相對尋址相對尋址u指令格式指令格式uDLX提供的操作提

8、供的操作u設(shè)計目標(biāo)設(shè)計目標(biāo)簡單的編譯器，高代碼密度簡單的編譯器，高代碼密度 流水線，硬件簡單、優(yōu)化編譯器流水線，硬件簡單、優(yōu)化編譯器u系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)強指令功能、強尋址模式、高效指令編碼強指令功能、強尋址模式、高效指令編碼、較少寄存器、較少寄存器 簡單指令功能、簡單尋址模式、簡單指令功能、簡單尋址模式、定長編碼、大量寄存器定長編碼、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直接影響uCPIu時鐘頻率 u處理器分為兩部分 u數(shù)據(jù)通道 uALUu寄存器u控制器 （重點）u流程u數(shù)據(jù)從主存取出u經(jīng)數(shù)據(jù)通道的處理u得到所需要的結(jié)果u送回主存存放。 u數(shù)據(jù)通道的執(zhí)行受控制器的控制 uStored programu程序數(shù)據(jù)的地位是等同的,一起存儲在主存中 uPCu程序計數(shù)器 u在主存中尋找到指令 u每次執(zhí)行PC增加一個指令長度（順序執(zhí)行）u完成PC遞增 u通用的計算功能模塊 u能對數(shù)據(jù)不加處理而直接傳送 u非記憶 uMAR即Memory Address Register,存放訪問內(nèi)存的地址uMDR則是memory data register,存放從內(nèi)存取回的數(shù)據(jù)uTemp

10、是一個數(shù)據(jù)訪問中起著暫存作用的寄存器uIAR專為中斷使用 u寄存器堆 u存貯器層次結(jié)構(gòu)中的最高層 u最小u最快 u書本100頁的圖形u書本圖片的錯誤：寄存器堆輸出的A，有一條連線連到S1數(shù)據(jù)總線u取指令 u解碼/寄存器讀出 u執(zhí)行/有效地址計算 u訪存/完成跳轉(zhuǎn) u寫回 u兩種最常用的設(shè)計與實現(xiàn)途徑u硬連線控制(Hardwired control)u微程序控制(microprogrammed control)u控制器可看作一個有限狀態(tài)圖 u每個狀態(tài)對應(yīng)一個時鐘周期u各狀態(tài)中有一些特定的輸出對應(yīng)著各時鐘周期中數(shù)據(jù)通道要做的工作 u硬連線邏輯復(fù)雜u可編程邏輯陣列PLA u固化在控制器u每條機器指令碼對應(yīng)一段程序u微指令 u微指令程序計數(shù)器u控存 u微指令的結(jié)構(gòu) 目的寄存器 ALU操作源 寄存 器1源 寄存 器2常數(shù)外 部操作跳 轉(zhuǎn)條件跳 轉(zhuǎn)地址u垂直微代碼 u規(guī)定了每次只能有一個寄存器接收數(shù)據(jù)u可以根據(jù)這一點對此域編碼 u所占控存少,格式緊湊但要附加硬件電路,硬件開銷較大u水平微代碼u無需加解釋電路,信號直接用于控制,時延短,硬件開銷小 u