计算机体系结构：MIPS指令集 北大计算机系

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1、计算机组织与系统结构MIPS指令系统体系结构MIPSInstructionSetArchitecture（第五讲）程旭易江芳2011.10.25北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心AboutCPInIjCPICPIFFjjj指令总数j1CPI和程序无关，和编译有关此处的CPI指某条指令或某类指令的CPIj编译影响CPI的例子：•数据相关•lwR1,100[R0]•addR3,R1,R2•控制相关•beqR1,R2,label•…•label:北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心本讲概况上讲复习MIPS指令系统体系结构

2、MIPS的其他情况其他指令系统(PowerPC、80x86)总结北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心指令系统设计软件指令系统硬件北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心执行周期Instruction从程序存储系统中获得指令FetchInstruction确定所需的动作和指令大小DecodeOperand定位并获得操作数数据FetchExecute计算结果数值或状态Result在存储系统中存放结果，以备后用StoreNext确定后续指令Instruction北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心上讲总结:ISA•使用通用

3、寄存器的load-store结构；•支持如下寻址方式：displacement(withanaddressoffsetsizeof12to16bits)、immediate(size8to16bits),以及registerdeferred;•支持如下简单指令（因为它们决定执行的指令总数）：load、store、add、subtract、moveregister-register、and、shift、compareequal、comparenotequal、branch(withaPC-relativeaddressatleast8-bitslong)、jump、

4、call,以及return;•支持如下数据大小和类型：8位、16位、32位整数；以及32位和64位IEEE754浮点数•如果看重性能，就使用固定指令编码方案如果看重代码大小，就使用可变指令编码方案•提供至少16个通用寄存器，以及单独的浮点寄存器;•确信所有的寻址方式都可以用于所有的数据传输指令;•瞄准最低限要求的指令系统北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心指令（Instructions）:°机器语言的字词°比高级语言更加简单、原始例如，没有复杂的控制流°限制性非常强例如：MIPS算术运算指令将基于MIPS指令系统体系结构•与二十世纪八十年代后的许多

5、结构都很类似•被NEC,Nintendo,SiliconGraphics,Sony等使用MIPS：MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages设计特色:高效的指令流水线编译辅助的流水线调度策略北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心MIPS算术指令°设计原则:simplicityfavorsregularity.°所有算术指令都有3个操作数°操作数的次序是固定的（目标操作数领先）示例：C代码：A=B+CMIPS代码:add$s0,$s1,$s2(编译器完成寄存器与变量的关联)北京大学计算机科学技术系北京大

6、学微处理器研究开发中心MIPS算术指令°当然也有可能让事情变复杂……Ccode:A=B+C+D;E=F-A;MIPScode:add$t0,$s1,$s2add$s0,$t0,$s3sub$s4,$s5,$s0°设计原则:smallerisfaster.°Operandsmustberegisters,only32registersprovided北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心Registersvs.Memory°Arithmeticinstructionsoperandsmustberegisters,•only32registerspro

7、vided°Compilerassociatesvariableswithregisters°WhataboutprogramswithlotsofvariablesControlInputMemoryDatapathOutputProcessorI/O北京大学计算机科学技术系北京大学微处理器研究开发中心MemoryOrganization°Viewedasalarge,single-dimensionarray,withanaddress.°Amemoryaddressisanindexintothearray°"Byteaddressing"meansthat

8、thein