第4章 中央处理器设计(RISC)

第4章中央处理器设计（RISC） 中央处理器也简称为处理器（或称为CPU）是组成计算机系统的核心部件，是计算机组成原理研究的主要内容之一。

4.1 计算机组成的层次概念⏹软件⏹应用软件⏹系统软件⏹编译⏹指令系统⏹硬件⏹数据路径⏹数字电路⏹物理实现计算机系统的层次结构见图4.14.2 RISC与CISC⏹4.2.2 精简指令系统计算机体系结构⏹精简指令系统的依据⏹通过优化典型的高级语言程序中最耗费时间的操作，能够更好地支持高级语言。

RISC结构通常体现如下几点：⏹首先是使用大量的寄存器；⏹其次，要精心设计流水线；⏹最后，应采用相对简单的指令系统。

这对于在单一芯片上实现CPU是有益的。

4.2.2 精简指令系统计算机体系结构⏹精简指令系统的特征⏹指令系统简单；⏹只有load和store指令可以访问存储器；⏹简单的寻址方式；⏹固定长度的指令格式。

假设模型机中有32个寄存器。

所有的算术逻辑运算都使用寄存器操作数；采用load/store结构，即只有load和store指令可以访问存储器4.3 模型机的指令系统⏹模型机指令系统的设计原则是：⏹采用简单的指令系统⏹规模适度⏹认真权衡利弊⏹加快经常性事件的运行速度4.3.1把模型机的汇编语句翻译成机器指令⏹模型机的加法指令：⏹add T0，S1，S2⏹用十进制表示是017188032⏹寄存器S0到S7相对应的是寄存器16到23，寄存器T0到T7相对应的是寄存器8到15。

4.3.2 模型机的指令格式⏹模型机指令中每一个字段名称的含义如下：⏹Op ：指令的基本操作，称为操作码⏹rs ：第一个源操作数寄存器⏹rt ：第二个源操作数寄存器⏹rd ：目标操作数寄存器，它存放的是指令操作的结果⏹shamt ：暂时不用。

⏹funct ：这个字段选择Op 字段中的具体操作，有时被称为function 字段或功能字段。

6位5位5位5位5位6位Oprs rt rd shamt funct4.3.3 模型机寻址方式⏹寄存器寻址方式⏹首先约定如下的符号：用Rs 、Rt 、Rd 分别表示rs 、rt 、rd 字段（见图4.2）描述的寄存器中存储的数据。

⏹算术运算（如add ）指令采用的是寄存器寻址方式，它的三个操作数都在寄存器中。

⏹设有以下算术运算指令：add T0，R1，R2。

其含义是将寄存器R1和R2中的值求和，并将其结果存放于寄存器T0中。

R1、R2、T0分别对应于指令格式中的rs 、rt 、rd 字段所表示的寄存器（见图4.2）中存储的数据，即Rs 、Rt 、Rd 。

此时Rd=Rs+Rt 。

寄存器寻址方式对应的指令格式称为R 格式（R 类型）。

4.3.3 模型机寻址方式⏹基址寻址方式⏹基址寻址方式的有效地址按下式计算：EA=Rs+address（4.1）⏹其中address是指令格式中的低16位字段（图4.2）的数值。

⏹基址寻址方式对应的指令格式称为I格式（I类型）。

⏹数据传送指令使用I格式。

4.3.3 模型机寻址方式⏹load指令采用基址寻址方式（I格式，图4.2）⏹把数据从存储器中读到寄存器中的情况称为读（load）。

load指令的功能如下：⏹Rt←M(Rs+address)或记为Rt=M(Rs+address)⏹load指令的用法举例：⏹例如：指令load T0, 32(S3)将基址寄存器S3（位于指令的rs字段）的内容加上32（位于指令的address字段），其求和后的结果作为存储器的地址，用该地址访问存储器，将其内容读出，再写入到寄存器T0中，T0由指令的rt字段标识。

4.3.3 模型机寻址方式⏹store指令采用基址寻址方式（I格式，图4.2）⏹store指令的功能是将寄存器rt中的数据传送（写）到存储器当中去，存储器的地址也由（4.1）式计算。

store指令的功能如下：⏹M(Rs+address)←Rt或记为M(Rs+address)=Rt⏹store指令的用法举例：⏹例如：指令store T0, 32(S3)将寄存器T0（T0由指令的rt字段标识）中的内容写入到存储器中去，存储器的地址为基址寄存器S3（位于指令的rs字段）的内容加上32（位于指令的address字段）。

4.3.3 模型机寻址方式⏹立即寻址方式（图4.2）⏹加法指令中，如果有一个操作数为常数，则称为立即数加法指令，记为addi。

寄存器SP加常数4就可以写成：⏹addi SP，SP，4 //SP=SP+44.3.3 模型机寻址方式⏹在RISC中，通常提供一个特殊的寄存器，称为ZERO寄存器，寄存器ZERO中的值始终为零。

⏹为了和其他值比较，就必须有一个立即数形式的小于比较指令。

如比较S2是否小于10，其判断条件可写成：⏹slti T0，S2，10 // 如果S2<10，则T0=1⏹后面紧接着的指令可以通过判断T0是否等于1来确定S2是否小于10。

4.3.3 模型机寻址方式⏹32位常数的处理⏹lui指令：它用来设置寄存器中某常数的高16位，并允许下一条指令指定此常数的低16位。

⏹例如：lui T0，255 // T0为寄存器8⏹指令lui T0，255的功能是将指令中的16位立即数255传入寄存器T0的高16位，再将T0的低16位置零。

4.3.3 模型机寻址方式⏹lui 指令应用举例⏹将如下的一个32位常数装入寄存器S0?⏹0000 0000 0011 1101 0000 1001 0000 0000⏹lui S0，61 //(61)10=(0000 0000 0011 1101)2⏹运行后S0的内容为：⏹0000 0000 0011 11010000 0000 0000 0000⏹下一步加上低16位，转化为十进制数为2304：⏹addi S0，S0，2304 //(2304)10=(0000 1001 0000 0000)2⏹S0的最终值即为所求的结果：⏹0000 0000 0011 1101 0000 1001 0000 0000首先使用lui 指令装入高16位数据，然后使用立即数加法指令装入低16位数据4.3.3 模型机寻址方式⏹PC相对寻址方式（图4.2）⏹bne S0，S1，Exit //如果S0≠S1，转向标号为Exit的指令。

⏹如果程序的转移地址须装入指令的低16位字段，则意味着所有程序的代码长度都不能超过216个指令字，这在现实中是远远不够的。

⏹一种解决方法是指定一个寄存器，将它的值与转移地址相加，这样转移指令的地址计算如下：PC＝某寄存器中的值＋转移地址（4.3）⏹由于模型机的寄存器是32位，这个和允许程序达到232，解决了转移地址大小的问题。

4.3.3 模型机寻址方式PC＝某寄存器中的值＋转移地址（4.3）⏹（4.3）式右边的“某寄存器”应使用哪个寄存器？⏹条件转移指令要根据当前指令的运行结果来判断下一条指令的地址，因此它们倾向转向附近的指令。

⏹当把指令格式中的低16位看成是补码时有：-215≤转移地址≤215-1。

⏹于是条件转移的范围是以当前的PC值为中心，上、下的偏移范围大约是215。

由于几乎所有的循环和条件转移的范围都小于215个指令字，所以（4.3）式的右边选择寄存器PC是理想的。

⏹注意模型机PC中的当前（地址）值是相对于下一条指令（PC+4）的地址而不是当前指令的地址。

4.3.3 模型机寻址方式⏹伪直接寻址方式（图4.2）⏹在条件转移指令中使用PC相对寻址。

⏹对无条件转移指令和转移连接指令使用J格式为程序调用提供比较长的转移地址。

⏹例如：jump10000 // 转向指令100004.4 汇编语言概念⏹翻译器（translator）：翻译器是这样一种程序，它可以把用某种语言编写的用户程序转换成另一种语言的程序。

⏹源语言（source language）：翻译器转换之前的程序使用的语言称为源语言。

⏹目标语言（target language）：翻译器转换之后的语言称为目标语言。

4.4 汇编语言概念⏹汇编语言与汇编器（assembler）：如果源语言基本上是数字型机器语言的符号表示，则源语言称为汇编语言，相应地就把这种源语言的翻译器称为汇编器。

⏹编译器（complier）：如果源语言是C语言（或Java语言等）这样的高级语言，而目标语言或者是数字型机器语言或者是机器语言的符号表示（即汇编语言），那么这种翻译器就称为编译器。

4.4 汇编语言概念⏹在纯粹的汇编语言中，每条语句都精确地产生一条机器指令。

⏹汇编语言程序员可以访问目标计算机的所有指令，可以利用目标计算机的所有特性，而高级语言程序员就没有这样的能力。

⏹汇编语言和高级语言的另一个重要的区别是：汇编语言程序只能运行在指令系统相同的系列计算机上，而高级语言程序则可以运行在各种不同的计算机上。

⏹汇编语言编写程序不方便，强迫程序员用机器的方式思考问题。

4.5 指令系统—软件的接口在这一节里，将考虑将高级语言—C语言的源程序转换成模型机的汇编语言程序，看看模型机的汇编语言程序究竟要完成哪些基本的操作，这将有助于加深理解中央处理器的硬件设计部分。

4.5.1 C语言赋值语句编译为模型机的汇编语言程序⏹赋值语句的编译⏹用寄存器编译C的赋值语句⏹例如：f=(g+h)-(i+j)；⏹设编译器将变量f、g、h、i、j分别放在寄存器S0、S1、S2、S3、S4中。

那么经过编译后的模型机汇编语言代码如下：⏹add T0，S1，S2 //寄存器T0中存放g+h⏹add T1，S3，S4 //寄存器T1中存放i+j⏹sub S0，T0，T1 // f等于T0减T1，也就是(g+h)-(i+j)R型指令应是模型机的处理器硬件能够运行的基本指令之4.5.1 C语言赋值语句编译为模型机的汇编语言程序⏹当一个操作数在存储器中时编译一个赋值语句⏹现在编译下面的C赋值语句：g=h+A[8]；⏹假设A是一个数组，并且在这之前编译器已经将变量g和h 存放在寄存器S1和S2中，又假设数组的首地址（或称为基地址）在寄存器S3中，则结果是：⏹load T0，32(S3) //寄存器T0中的值是A[8]⏹add S1，S2，T0 //g=h+A[8]为了实现高级语言（C语言）的数组的运算，load指令应是模4.5.1 C语言赋值语句编译为模型机的汇编语言程序⏹用load和store指令进行编译（目标操作数存放在存储器中）⏹假设变量h存放在寄存器S2中，并且数组A的基地址存放在寄存器S3中。

假设C语句为：⏹A[12]=h+A[8]；⏹对应的模型机汇编代码是：⏹load T0，32(S3) //中间寄存器T0中存放A[8]的值⏹add T0，S2，T0 //中间寄存器T0中存放h+A[8]的值⏹store T0，48(S3) //把h+A[8]的值存放在A[12]中为了实现高级语言（C语言）的数组的运算，store指令应是模4.5.1 C语言赋值语句编译为模型机的汇编语言程序⏹用数组下标变量索引进行编译⏹这里考虑的是一个具有下标变量的数组：g=h+A[i]；⏹假设A数组的基地址在寄存器S3中，编译器把变量g、h、i分别存放在S1、S2、S4中。