附录 D 桌面计算机、服务器和嵌入式计算机上的 RISC 体系结构综述

附录D 桌面计算机、服务器和 嵌入式计算机上的RISC体系结构综述华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式 D.3 指令：MIPS核心子集 D.4 扩展指令 D.5 特有的指令 D.6 结论华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述华东师范大学计算机科学技术系

D.1 概述 指令系统一台计算机中所有机器指令的集合，是表征一台计算机性能的重要因素不同的系列计算机有不同的指令系统附录D对两组精简指令系统计算机进行了综述 ·桌面、服务器RISC ·嵌入式RISC 华东师范大学计算机科学技术系

D.1 概述 • 桌面RISC的特点： • 第一台RISC（精简指令系统计算机）于1981年 • 在美国加州大学伯克利分校问世 • RISC的基本要素： • ·一个有限的简单的指令集 • · CPU配备大量的通用寄存器 • ·强调对指令流水线的优化 • ·采用组合电路控制器，少用微程序 • ·采用编译优化技术华东师范大学计算机科学技术系

D.1 概述 • 特点： • ·使用等长指令，目前的典型长度是4个字节 • ·寻址方式少且简单，一般为2～3种，最多不 • 超过5种，绝不出现存储器间接寻址方式 • ·只有取数指令、存数指令访问存储器，指令 • 中最多出现RS型指令，绝不出现SS型指令 • ·指令集中的指令数目一般少于100种，指令 • 格式一般少于4种 • ·指令功能简单，控制器多采用硬布线方式， • 以期更快的执行速度华东师范大学计算机科学技术系

D.1 概述 • ·平均而言，所有指令的执行时间为一个处 • 理时钟周期 • ·指令格式中用于指派整数寄存器的个数不 • 少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数 • 不少于16个 • ·强调通用寄存器资源的优化使用 • ·支持指令流水并强调指令流水的优化使用 • · RlSC技术的复杂性在它的编译程序，因此 • 软件系统开发时间比CISC机器长华东师范大学计算机科学技术系

MIPS核心指令：第2章、第3章介绍 附录D： ·扩展指令 ·非MIPS核心指令 ·特色指令 D.1 概述 • ·桌面、服务器RISC • 五类体系结构特点 P563图D-1-1 • ·嵌入式RISC • 五类体系结构特点 P564图D-1-2 • 特点： • 体系结构十分相似 • 主要不同点： • 寻址方式 • 指令集细节华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式华东师范大学计算机科学技术系

D.2 寻址模式和指令格式 一、寻址模式 1. 桌面体系结构支持的数据寻址模式 P565图D-2-1 ·寻址模式简单 ·包含一个0值寄存器 ·普遍寻址模式：寄存器＋偏移量　直接寻址　　　　　　　　　　寄存器间接寻址　　　　　　　　　　相对寻址　　　　　　　　　　基址寻址寄存器＋寄存器　索引寻址寄存器内容为0 偏移量为0 华东师范大学计算机科学技术系

一、寻址模式 • 2. 嵌入式体系结构支持的数据寻址模式 • P565图D-2-2 • · ARM支持的寻址模式最多 • 寄存器+寄存器和更新寄存器 • 将一寄存器位移后加另一寄存器内容 • ·普遍寻址模式： • 寄存器＋偏移量　直接寻址 • 　　　　　　　　　　基址寻址 • 寄存器＋寄存器　索引寻址 • 自增寻址、自减寻址 • PC相对寻址华东师范大学计算机科学技术系

D.2 寻址模式和指令格式 • 二、指令格式 • 桌面RISC的指令格式 P565图D-2-3 • ·操作码字段位于32位指令字首部 • ·指令功能由操作码和操作码扩展共同决定 • ·共32个寄存器，源、目的寄存器字段均为 • 5位 • 2.嵌入式RISC的指令格式 P566图D-2-4 • ·具有两种指令字长度（16位/32位） • 减少代码量 • ·有8个或16个寄存器华东师范大学计算机科学技术系

D.2 寻址模式和指令格式 • 三、常量扩展 • 常数域扩展到寄存器最大宽度的方法： • ·桌面RISC的常量扩展 P567图D-2-5 • ·嵌入式RISC的常量扩展 P567图D-2-6 • 16位指令格式中立即数位数较短，扩展方法： • 从顺序的两个字节获取长地址华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式 D.3 指令：MIPS核心子集华东师范大学计算机科学技术系

几乎每条MIPS核心指令在其他体系结构中都能看到几乎每条MIPS核心指令在其他体系结构中都能看到对照本书首页MIPS指令定义 D.3 指令：MIPS核心子集一、MIPS核心指令桌面RISC核心指令类型： ·数据传输指令 P568图D-3-1 ·算术/逻辑运算指令 P569图D-3-2 ·控制指令 P569图D-3-3 ·浮点指令 P570图D-3-4 其他操作设定 P570图D-3-5 嵌入式RISC核心指令类型： ·数据传输指令 P570图D-3-6 ·算术/逻辑运算指令 P571图D-3-7 ·控制指令 P572图D-3-8 其他操作设定 P572图D-3-9 华东师范大学计算机科学技术系

解：因为SPARC约定R0的内容恒为0，而且立即数可以作解：因为SPARC约定R0的内容恒为0，而且立即数可以作为一个操作数处理，所以某些指令可以替代实现。一、MIPS核心指令 • 例1）在SPARC中，有一些指令没有选入指令 • 系统，但很容易使用指令集中的另外一 • 条指令来替代实现。 ADD Rs+R0→Rd ADD 立即数imm13=1,作为操作数 SUB 立即数imm13=1,作为操作数 SUB R0－Rs→Rd XOR 立即数imm13=-1,作为操作数 ADD R0+R0→Rd 华东师范大学计算机科学技术系

D.3 指令：MIPS核心子集 • 二、比较与条件分支 • ·设置状态条件寄存器，运算类指令操作将影响状态位 • 例：结果为负、结果为0、进位、溢出等 • 根据状态位决定程序的分支转移 • SPARC、PowerPC、ARM等 • ·利用寄存器比较产生分支转移 • MIPS、Alpha、PA-RISC等 • 桌面RISC条件分支指令方法总结图D-3-10 • 嵌入式RISC条件分支指令方法总结图D-3-11 华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式 D.3 指令：MIPS核心子集 D.4 扩展指令华东师范大学计算机科学技术系

D.4 扩展指令 一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 MMX技术 MMX是多媒体扩展结构技术，极大地提高了计算机在多媒体和通信应用中的功能 ① 增设MMX指令支持图形、图像、音频操作 ② 采用了新的数据类型定义多种数据类型，包括紧缩字节型、紧缩字型、紧缩双字型、四字类型等多种包装字类型 ③使用64位宽的MMX寄存器执行一条MMX指令可将包装字的多个数据同时取出运算，实现了并行处理。华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 多媒体数据特点：字长有限、信息量大 • 例：用8位代表三种基本颜色中的一种，8位 • 代表像素的位置 • 用8位、12位、16位等表示音频采样信息 • MMX指令是一种SIMD（单指令流多数据流）并 • 行处理指令 • 执行一条MMX指令可将包装字的多个数据同时 • 取出运算，实现了单指令流多数据工作方式华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • MMX指令典型操作： • 环绕运算方式（截位加法） • 饱和运算方式 • 积和运算方式 • 比较操作 • 移位操作 • 转换操作华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 1.环绕运算方式（截位加法）以Pentium机为例 • 指令： PADD[B，W，D] • 可对三种包装格式的图形数据元素进行加法操作，每个字段操作独立并行进行； • 若字段的最高位结果超出字段可表示的最大值，则溢出位丢弃。 • 例）W类型：类似的还有减法操作、乘法操作华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 2. 饱和运算方式 • 指令： PADDUS[B，W] • 当运算结果超出字段表示范围时，按最大值处理。 • 例）W类型：用途：这对于图形图像处理中像素的计算十分有用，可防止截位加法时，可能导致的使一个黑色像素在颜色加深时，反而变成白色的情况。华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 3. 积和运算方式 • 指令： PMADDWD • 具有乘法-累加功能 • 四字段（16位）相乘  四个32位的积  相加成双字 • 即一条乘加指令进行了四次乘法操作和两次加法操作。用途：特别适合于向量计算与矩阵计算华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 4. 比较操作 • 指令： PCMPGT[B，W，D] • 并行地对三种包装格式的数据进行比较，生成结果为四个全“1”（真）或四个全“0”（假）的包装屏蔽字； • 通过条件选择，取消了转移指令，是一个重要的增强性能的措施。华东师范大学计算机科学技术系

一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 5. 移位操作 • 包装字移位操作独立地对各个字段进行移位操作。 • 用途：可对存储器中读取的分段数据进行 • 重新对齐操作。华东师范大学计算机科学技术系

用途：·用于矩阵的行列转换； ·插入新像素点； · RGB与YUV的彩色空间转换；等等。桌面RISC中多媒体支持总结： P574图D-4-1 一、桌面/服务器RISC的多媒体扩展 • 6. 转换操作 • 指令： PCKSSDW • 可用于包装字格式之间的转换，可由算法控制转换成不同精度的数据格式。华东师范大学计算机科学技术系

D.4 扩展指令 • 二、嵌入式RISC的数字信号处理扩展 • 数字信号处理器（DSP） • 为有效实现数字过滤： • 支持整数乘法-累加 • 乘法字较短（例16位），累加字较长（例64位） • 嵌入式RISC中乘法-累加方法总结 • P574图D-5-1 • 当操作溢出时，采用饱和方法华东师范大学计算机科学技术系

D.4 扩展指令 • 三、MIPS核心的常见扩展 • 其他计算机还具有一些MIPS所不包括的指令 • P576图D-6-1～图D-6-7 • 图中使用的硬件描述符号定义：图D-6-8 • ·原子交换 • 无需中断，可完成寄存器与内存信息交换的原语 • 适用：单处理器操作系统信号量处理 • 多处理器同步 • · 64位寻址和整数操作 • SPARC默认为64位、MIPS支持扩展、PowerPC可选 • ·预取指令并提供数据地址，且标记数据是读或写；一次或多次使用以及最近是否使用华东师范大学计算机科学技术系

IBM的370种大型机、大多数基于RISC的计算机以及Motorola的微处理器使用的是大端方式，TCP/IP协议也是。而Intel的处理器和DEC公司的一些程序则使用小端方式。IBM的370种大型机、大多数基于RISC的计算机以及Motorola的微处理器使用的是大端方式，TCP/IP协议也是。而Intel的处理器和DEC公司的一些程序则使用小端方式。三、MIPS核心的常见扩展 • ·大端/小端 • 表述一组有序的字节数以何种顺序方式存放内存 • 大端（Big-endian)是从高位字节存放在低地址处开始，依次存放 • 小端（Little-endian ）反顺序存放 • 例2）在内存1000和1001地址处存储4F52H • 解）若选择大端方式，内存的存储形式为：4FH存放在内存的1000位置，52H则存储在1001位置。 • 若选择小端方式，内存的存储形式为：52H存放在内存的1000位置，4FH则存储在1001位置。华东师范大学计算机科学技术系

三、MIPS核心的常见扩展 • ·共享内存同步 • 当共享内存时，为保证多处理器正确操作，规定必须等前次存储器读/写操作完成后，新的存储器读/写操作才能启动。 • ·协处理器操作 • 允许处理器被一些特殊用途的硬件扩展 • 分支优化图D-6-9 • ·传统分支：Alpha、PowerPC • ·分支预测华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式 D.3 指令：MIPS核心子集 D.4 扩展指令 D.5 特有的指令华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 一、MIPS64特有的指令 MIPS经历了五代指令集特有的指令：非对齐数据传输具有特殊指令控制内存中未对齐的字，可快速执行memcpy、strcpy 指令： LWL、LWR：从左往右/从右往左读取 SWL、SWR：从左往右/从右往左写入读取未对齐字指令工作过程图D-7-1 2. 其他指令 P580 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 二、Alpha 特有的指令 • 目标：实现高性能 • 特有的指令： • ·不精确的浮点异常 • ·数据转移不支持字节、半字 • ·详细的字节处理指令集 • ·其他指令 P581 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 三、SPARC v.9特有的指令 • 寄存器窗口 • ·使用若干层寄存器，每次过程调用分配一层 • ·具有2～32个窗口，每个窗口有16个寄存器 • 指令：SAVE、RESTORE • 2. 快速自陷 • 指令：RETRY、DONE • 3.LISP和Smalltalk的支持 • ·支持LISP和Smalltalk语言 • ·用最低两位表示不同的数据类型，以支持标 • 记算法指令 P583图D-9-1 华东师范大学计算机科学技术系

三、SPARC v.9特有的指令 • 4. 重叠的整数和浮点数操作 • ·允许整数和浮点数并行操作 • ·浮点数操作包括平方根运算 • 指令：FSQRTS、FSQRTD、FSQRTQ • 5. 其他指令 • P583 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 四、PowerPC特有的指令 • 分支寄存器：连接(Link)和计数器 • 支持快速调用 • ·专设返回地址寄存器(Link) • ·专设计数器（counter)，对于循环次数固定for结构，可根据计数器值快速控制分支跳转 • 指令可读取这两个寄存器的值 • 2. 其他指令 • · 0#寄存器内容不固定为0，不能用作基址寄存器，可作为变址操作的偏移量 P584 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 五、PA-RISC 2.0特有的指令 • ·寻址方式、指令格式丰富 • ·具有合并指令 • 条件跳转指令 P585图D-11-1 • 合成乘除法 • ·支持取消执行 • 取消执行延迟跳转后的指令 • 例：加法操作后结果为0，直接跳转华东师范大学计算机科学技术系

五、PA-RISC 2.0特有的指令 • 1. 丰富的条件跳转指令图D-11-1 • 实际为合并指令 • 2. 十进制操作 • ·可将32位加法和转换为对应的十进制数 • ·有5条指令支持十进制运算 • 3. 其他指令 P585 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 六、ARM特有的指令 • 1. 条件执行 • 每条指令的前4位(条件码)标志此指令是正 • 常执行(条件满足)，还是当作空指令执行 • (条件不满足) • 2. 12位立即数扩展域 • 3. 其他指令 P586 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 七、Thumb特有的指令 • 在ARM V4中 • ·执行频度高的过程使用ARM指令 • ——以获得最好性能 • ·执行频度低的过程使用Thumb指令 • ——以减小代码长度 • 但有许多限制 P587 • 这种混合方法兼具两者优势 • 两者可由指令控制转换华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 八、SuperH特有的指令 • 寄存器0作用 • ·寻址（间接变址寻址、PC相对寻址） • ·保存一个常数 • ·在AND、CMP、OR、XOR的立即数操作 • 中，唯一可使用的寄存器 • 2. 其他特色 P588 华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 九、M32R特有的指令 • 1.支持16位指令对 • 指令对中第一条指令的1位指示指令对执行方式：两条指令并行执行或顺序执行 • 2.分支跳转和返回均为字边界对齐 • 偏移量左移两位，写入PC，PC的最低2位置0，保证字边界对齐 • 3.除法的结果不是商而是余数华东师范大学计算机科学技术系

D.5 特有的指令 • 十、MIPS16特有的指令 • 是32位MIPS体系结构的一个16位扩展，兼容 • MIPS32、 MIPS64 • 由指令集系统模式位决定指令的宽度： • 0表示32位指令；1表示16位指令 • 16位的指令可支持对64位数据的操作 • 相对MIPS核心所做的改动： P589 华东师范大学计算机科学技术系

附录D 桌面计算机、服务器和嵌入式 计算机上的RISC体系结构综述 D.1 概述 D.2 寻址模式和指令格式 D.3 指令：MIPS核心子集 D.4 扩展指令 D.5 特有的指令 D.6 结论华东师范大学计算机科学技术系

D.6 结论 附录对指令格式、寻址模式，以及各类RISC体系结构的特色指令进行综述四种体系结构的总结图D-17-1 RISC指令集的宗谱图D-17-2 桌面RISC指令集指令的变化图D-17-3 华东师范大学计算机科学技术系

附录 D 桌面计算机、服务器和嵌入式计算机上的 RISC 体系结构综述