第 7 章 指令系统

第一讲 概述与指令系统设计

指令系统概述

指令系统处在软/硬件交界面，同时被硬件设计者和系统程序员看到

• 硬件设计者角度：指令系统为 CPU 提供功能需求，要求易于硬件设计
• 系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，要求易于编写编译器 指令系统设计的好坏还决定了：计算机的性能和成本 冯·诺依曼结构机器对指令的规定：
• 用二进制表示，和数据一起存放在主存中
• 由两部分组成：操作码和操作数（或其地址码）

指令系统设计

概述

• Instruction Fetch：从存储器读取指令
  • 指令地址、指令长度（定长/边长）
• Instruction Decode：对指令译码，以确定将要做什么操作
  • 指令格式、操作码编码、操作数类型
• Operand Fetch：计算操作数地址并取操作数
  • 地址码、寻址方式、操作数格式和存放
• Execute：进行相应计算，并得到标志位
  • 操作类型、标志或条件码
• Result Store：将计算结果保存到目的地
  • 结果数据位置（目的操作数）
• Next Instruction：计算下条指令地址（通常和取指令同时进行）
  • 下条指令地址（顺序/转移） 指令执行的每一步都可能发生异常或中断，因此，指令集系统架构（ISA）还需要考虑异常和中断机制。 操作功能：用操作码表示，指定操作类型 源操作数参照：一个或多个源操作数所在的地址

指令

• 零地址指令
  1. 无需操作数，如空操作、停机等
  2. 所需操作数为默认的，如堆栈、累加器等
• 一地址指令
  1. 单目运算：如取反、取负等
  2. 双目运算：另一操作数为默认的，如累加器等
• 二地址指令（最常用）
• 三地址指令
• 多地址指令

指令格式的设计

• 应尽量短
• 要有足够的操作码位数
• 指令编码必须有唯一的解释，否则是不合法的指令
• 指令字长应是字节的整数倍
• 合理地选择地址字段的个数
• 指令尽量规整

• 操作码的全部组成：操作码个数、种类、复杂度 LD/ST/INC/BRN 四种指令已经足够编制任何可计算程序，但程序会很长
• 数据类型：对哪几种数据类型完成操作
• 指令格式：指令长度、地址码个数、各字段长度
• 通用寄存器：个数、功能、长度
• 寻址方式：操作数地址的指定方式
• 下条指令的地址如何确定：顺序，PC+1，条件转移，无条件转移……
• 异常和中断机制，包括存储保护方式等

数据类型

• 地址（指针）：被看成无符号整数，用来参加运算以确定主（虚）存地址
• 数值数据
  • 定点数（整数）：一般用二进制补码表示
  • 浮点数（实数）：大多机器采用 IEEE754 标准
  • 十进制数：用 NBCD 码表示，压缩/非压缩（汇编程序设计时使用）
• 位、位串、字符和字符串：用来表示文本、声音和图像等
  • 4bits = nibble, 8bits = byte
  • 16bits = half-word, 32bits = word
• 逻辑（布尔）数据：按位操作（0-假/1-真）

操作数及其寻址方式

Addressing Modes（寻址方式）

• 寻址方式：指令或操作数地址的指定方式
• 地址码编码由操作数的寻址方式决定
• 地址码编码原则
  • 指令地址码尽量短→目标代码短，省空间
  • 操作数存放位置灵活，空间应尽量大→利于编译器优化产生高效代码
  • 地址计算过程尽量简单→指令执行快（可变长地址寻址需要计算）
• 寻找方式的确定
  1. 没有专门的寻址方式位（由操作码确定寻址方式）
  2. 有专门的寻址方式位
• 有效地址：操作数所在存储单元的地址（逻辑或物理），可通过指令的寻址方式和地址码计算得到
• 基本寻址方式：立即、直接、间接 假设：A = 字段值，R = 寄存器编号，EA = 有效地址，(X) = X 中的内容

偏移寻址

指令组成：OP R A 指令中给出的地址码 A 成为形式地址。EA=A+(R)，R 可以明显给出，也可以隐含给出。R 可以为 PC、基址寄存器 B、变址寄存器 I

• 相对寻址：EA=A+(PC)，相对于当前指令所处位移量为 A 的单元
  • 实现公共子程序、动态链接库（类似规定某条指令的数据永远来自其的下面几行，然后此指令在代码中多处出现）
• 基址寻址：EA=A+(B)，相对基址 B 所处位移量为 A 的单元
  • 多段程序转移（静态转移，将多段程序合在一起）
• 变址寻址：EA=A+(I)，相对于首地址 A 所处位移量为 I 的单元
  • 实现数组（每次会自动加/减数组元素的长度 x，即 I=(I)+x）

操作类型和操作码编码

操作类型

• 算术逻辑运算指令
  • 加减乘除、比较、与或非、取反、取负、异或等
  • 算术运算包含整数和浮点数操作
• 移位指令
  • 算术移位、逻辑移位、循环移位、半字交换
• 数据传送指令
  • 寄存器间、内存-寄存器、内存内换
• 顺序控制指令
  • 条件转移、无条件转移
  • 调用、返回
• 系统控制指令
  • 停机、开中断、关中断、系统模式切换等
• 输入/输出指令

Instruction Format（指令格式）

• Fixed Length Opcodes（定长操作码法）
• Expanding Opcodes（扩展操作码编法） 指令长度：
• 代码长度更重要时：采用变长指令字、变长操作码
• 性能更重要时：采用定长指令字、定长操作码 变长更紧凑，定长方便快速访问和译码。操作码长度和指令字长度没有绝对的关系。

定长操作码编码

• 基本思想：指令的操作码部分采用固定长度的编码。
• 特点：译码方便，但有信息冗余

扩展（变长）操作码编码

• 基本思想: 将操作码的编码长度分成几种固定长的格式。被大多指令集采用。
• 种类：等长扩展法：4-8-12；3-6-9；……/不等长扩展法

标志信息的生成与使用

条件测试方式

条件转移指令通常根据 Condition Code 转移，通过执行算数指令或显示地由比较和测试指令来设置 CC 常用的标志（条件码）有四种：

• SF：negative
• OF：overflow
• CF：进位/借位
• ZF：zero 标志可存于 FLAGs（称为标志寄存器/条件码寄存器/状态寄存器/程序状态字寄存器），也可由指定的通用寄存器来存放状态位

条件转移指令

• 根据单个标志的值转移
• 按无符号整数比较转移
• 按带符号整数比较转移

指令设计风格

按照数据存储位置分类

累加器型 (Accumulator)

特点：其中一个操作数和目的操作数总在累加器中

• 相当于 ALU 的其中一端始终是累加器 ACC，结果也存储在 ACC 中。 电路更加简单，但效率更低。

栈型 (Stack)

特点：总是将栈顶的两个操作数进行运算，指令无需指定操作数地址

通用寄存器型 (General Purpose Register)

特点：操作数可以是寄存器或存储器数据（即 A、B 和 C 可以是寄存器或存储单元）

装入/存储型 (Load/Store)

特点：运算操作只能是寄存器数据，只有 load/store 指令能访问存储器 访问寄存器的速度比访问主存快，可以加快计算速度。

指令风格比较

• 指令字长
• 所需指令数量
• 指令执行周期

寄存器型占据主导地位，优势：

• 寄存器速度快，使用大量通用寄存器可减少访存操作
• 表达式编译时与顺序无关（相对于 Stack 型）

按照指令设计的复杂度分类

复杂指令集计算机（CISC：Complex Instruction Set Computer） 精简指令集计算机（RISC：Reduced Instruction Set Computer）

CISC 的特点

• 指令系统复杂：变长操作码、变长指令字、指令多、寻址方式多、指令格式多
• 指令周期长：绝大多数指令需要多个时钟周期才能完成
• 各种指令都能访问存储器：除了专门的存储器读写指令外，运算指令也能访问存储器
• 采用微程序控制
• 有专用寄存器
• 难以进行编译优化来生成高效目标代码

CISC 的缺陷

• 研制周期变长、难以保证设计正确性、难以调试和维护、降低系统性能
• 指令出现的频率悬殊很大，常用的简单指令在程序指令中占大多数

RISC 的特点

• 简化的指令系统：指令少、寻址方式少、指令格式少、指令长度一致
• 以 RR 的方式工作：除 Load/Store 指令可访问存储器外，其余指令都只访问寄存器
• 指令周期短：以流水线方式工作，除了 Load/Store 指令外，其他指令都需要一个或者不到一个时钟周期即可完成
• 采用大量通用寄存器，以减少访存次数
• 采用组合逻辑电路控制，不用或少用微程序控制
• 采用优化的编译系统，力求有效地支持高级语言程序

异常和中断处理机制

• 程序执行过程中，CPU 会遇到一些特殊情况，使正在执行的程序被“中断”
  • CPU 终止原来正在执行的程序，转到处理异常情况或特殊事件的程序去执行，结束后再回到原来终止的程序处（断点）继续执行
• 程序执行被“中断”的事件有两类
  • 内部“异常”：在 CPU 内部发生的意外事件或特殊事件
    • 硬故障中断：如电源掉电、硬件线路故障等
    • 程序性中断：Exception 事件，如溢出、缺页、越界、越权、越级、非法指令、除数为 0、堆/栈溢出、访问超时、断点设置、单步、系统调用等。
  • 外部“中断”：在 CPU 外部发生的特殊事件，通过“中断请求”信号向 CPU 请求处理。如时钟、控制台、打印机缺纸、外设准备好、采样计时到、DMA 传输结束等。
• 发生异常（Exception）和中断（Interrupt）事件后，系统将进入 OS 内核态对相应事件进行处理，即改变处理器状态（用户态→内核态）

第二讲 指令系统实例：RISC-V 架构

RISC-V 指令系统概述

• 设计目标
  • 广泛的适应性：从最袖珍的嵌入式微控制器，到最快的高性能计算机
  • 支持各种异构处理架构，成为定制加速器的基础
  • 稳定的基础指令架构，并能灵活扩展，且扩展时不影响基础部分
• 开源理念和实际原则
  • 指令集完全公开，且无需为指令集付费
  • 采用模块化设计，既保持基础指令集的稳定，也保证扩展指令集的灵活配置
  • 特点：具有模块化结构、稳定性和扩展性好，在简洁性、实现成本、功耗、性能和程序代码量等方面具有显著优势
• 模块化结构
  • 核心（RV32I） + 标准扩展集（RV32M、RV32F、RV32D、RV32A） = RV32G
  • 32 位架构 RV32G = RV32IMAFD，其压缩指令集为 RV32C（指令长度为 16 位）
  • 64 位架构 RV64G = RV64IMAFD，其压缩指令集为 RV64C（指令长度为 16 位）
  • 向量计算 RV32V 和 RV64V；嵌入式 RV32E（RV32I 的自己，16 个通用寄存器）

RISC-V 指令参考卡和指令格式

指令卡

• 核心指令集：基础整数指令集 RV32I 和 RV64I
• 特权指令：陷阱指令对应的返回指令、wfi等待中断指令、sfence.vma 虚拟存储器的同步操作
• 伪指令（一共有 60 个）：
  • 如 MoVe rd, rs 指令实际执行了 ADDI rd, rs, 0 指令
• 压缩指令集：RV32C 和 RV64C
  • 压缩指令的底层实现是通过电路转化为标准指令，然后用标准指令的电路进行实现
• 扩展指令集：
  • 乘除运算指令集 RVM、原子操作指令 RVA、浮点运算指令集 RVF 和 RVD、向量操作指令集 RVV
• 通用寄存器的调用约定：
  • 32 个定点通用寄存器 x0~x31；
  • 32 个浮点寄存器 f0~f31；
  • 通用寄存器 x0 中恒 0 ；x1 中返回地址；x2、x3 和 x4 分别为栈指针、全局指针和线程指针

指令格式

RISC-V 采用定长指令，共有6种指令格式：

• R-型为寄存器操作数指令
• I-型为短立即数或装入（Load）指令
• S-型为存储（Store）指令
• B-型为条件跳转指令
• U-型为长立即数操作指令
• J-型为无条件跳转指令 图注：
• opcode：操作码字段
• rd、rs1和rs2：通用寄存器编号
• imm：立即数，其位数在括号[ ]中表示
• funct3和funct7：分别表示 3 位功能码和 7 位功能码，和 opcode 字段一起定义指令的操作功能

16 位 RISC-V 压缩指令格式

每条 16 位指令都有功能完全相同的 32 位指令，在执行时由硬件先转换为 32 位指令再执行。目的是：缩短程序代码量，用少量时间换空间。

RISC-V 基础整数指令集

• 整数运算类指令
  • 移位
  • 算术运算
  • 逻辑运算
  • 比较
• 控制转移类指令
  • 分支
  • 跳转链接
• 系统控制类指令
  • 同步
  • 环境
  • 控制状态寄存器
• 存储访问类指令
  • 取数
  • 存数

RISC-V 可选的扩展指令集

• 标准扩展指令集
  • RV32I基础指令集之上，可标准扩展RV32M、RV32F/D、RV32A，以形成32位架构合集RV32IMAFD，也称为RV32G
  • RV32G基础上，对每个指令集进行调整和添加，可形成64位架构RV64G，原先在RV32G中处理的数据将调整为64位。但为了支持32位数据操作，每个64位架构指令集中都会添加少量32位数据处理指令。
• RISC-V扩展集包括
  • 针对64位架构需要，在47条RV32I指令基础上，增加12条整数指令（+RV64I），包括6条32位移位指令、3条32位加减运算指令、两条64位装入（Load）指令和1条64位存储（Store）指令，故RV64I共59条指令。
  • 针对乘除运算需要，提供了32位架构乘除运算指令集RV32M中的8条指令，并在此基础上增加了4条RV64M专用指令（+RV64M）
  • 针对浮点数运算的需要，提供了32位架构的单精度浮点处理指令集RV32F和双精度浮点处理指令集 RV32D，并在此基础上分别增加了RV64F和RV64D专用指令集（+RV64F）和（+RV64D）。
  • 针对事务处理和操作原子性的需要，提供了32位架构原子操作指令集RV32A以及RV64A专用指令集 （+RV64A）。
  • 向量处理指令集RVV、未来可选扩展指令集RVB、RVE、RVH、……