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計算機組織 : 基本Instruction

%%鼠拒收病婿 | 2024-11-06 09:35:32 | 巴幣 322 | 人氣 145

計算機組織 Instruction

來源: 清大開放課程

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ISA

RISC指令一定是32bit長 (方便hardware優(yōu)化)
- CISC指令長度不固定。
Simplcity favors regulartiy
RISC的Operands只能從register拿，CISC可以從Register,memory拿。
Register有助於提升Code density:
- 用更少的bit描述位址。
Smaller is faster.
- 在計算機組織中，「越小越快」（Smaller is faster）這個概念主要源於以下幾個原因：
- 距離縮短：在處理器內(nèi)部，訊號需要在不同的元件之間傳遞。當(dāng)元件的尺寸變小時，訊號傳遞的距離也會縮短，從而減少延遲，提升速度。
- 功耗降低：較小的元件通常消耗較少的電能，這不僅有助於降低功耗，還能減少發(fā)熱，進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能。
- 更高的集成度：較小的元件可以在同樣的晶片面積上集成更多的功能，這意味著可以在更小的空間內(nèi)實現(xiàn)更高的計算能力。
- 提升頻率：較小的元件可以更容易地提升工作頻率，從而提高處理器的運算速度。

r2,r3 : percedual code使用(如sub routine)

Float 的計算由FPU負責(zé)。

Register

Accmulator:

以前只有一個register，只能存Main memory讀取資料後，把處理結(jié)果放在累加器裡。

Stack

Last in first out.

Register

Instruction數(shù)量多不一定慢，要考慮cycle per instruction。
Number of instruction
- Register (reg-mem):
  - 缺點是每個instruction很長(因為mem的位址很長)
- Accumulator
  - 缺點是Add很快，但Load很慢

Memory

byte-address:
- MIPS至少2^32個bytes 地址要用32個bits。
Word-address

Memory的基本單位。

g=A[8]
lw $to 32($s3) #$t0 gets A[8]

Memory access:
- 先找到memory pointer register(32bits)，再計算位移(offset in byte)到指定位址。
  - 範(fàn)例lw $t0 offset($pointer)，則只需要5bits的register就能描述位址。
  - 通常offset是+4(因為1個word是4bytes)
- Little endian:
  - 讀取word裡面的byte的順序從0,1,2,3…
- Big endian:
  - 讀取word裡面的byte的順序從3,2,1,0..
Constant
- 能直接寫在Instruction。 (不用lw)
- 分析後有接近50%的code屬於跟常數(shù)互動 Make the common case fast
- Constant instruction 範(fàn)例

0的register是直接hardwire設(shè)定的。

add $s2 $s1 $zero # 0 也可用於搬運變數(shù)

Instruction type

MIPS (RISC)只有3種Instruction format，但x86有很多種(CISC)
format越少，硬體處理的overhead越少。

R-Type

負責(zé)算術(shù)運算,邏輯運算…

6 bit	5 bit	5 bit	5 bit	5 bit	6 bit
opcode	dst reg	src reg	src reg	shamt	funct

op code: 000000區(qū)分它屬於R-type
funct : 區(qū)分實際作用(加,減,and,or…)
shamt : shift amount. (因為data只有32bit，用5個bit即可表示。)

範(fàn)例

Bitwise operation

範(fàn)例

sll $t2 $s0 4

sll:shift left並補0。
srl:shift right並補0。
sra:shift right，用sign extending補 (正數(shù)補0、負數(shù)補1)。
shift operation很快，聰明的compiler會把乘除法替換成shift operation。

其他operation

and $t2 $s0 $s1
or $t2 $s0 $s1
nor $t2 $s0 $zero # not operation

I-Type

牽扯Immediate的運算。

6 bit	5 bit	5 bit	16bit
opcode	src reg	dst reg	immediate

16 bit的immediate能表示2^16個數(shù)字。
immediate
- signed number.
- 實際做運算時要擴充到32bits (addi,slti的immediate sign-extended to 32 bits.)
  - sign-extended
    - 第一個bit擺正負號，其他擴充出來的bit:
      - 正:補0
      - 負:補1
雖然src,dst register的內(nèi)容指向32 bits的數(shù)值，但跟immediate的運算受限於16bits.(constant range: ±2^15)

範(fàn)例

addi $t2 $t1 -50

注意組語固定左邊放目標(biāo)register:
- $t2 : 目標(biāo)寫入的register
- $t1 : operand

lw/sw是I-type instruction

lw $t0 1200($t1) # $t0是destination,$t1讀到$t0
sw $t0 1200($t1) # $t0是source, 寫到$t1

offset範(fàn)圍受限於±2^15.

Branch

注意branch是 I-type instruction.
能跳的範(fàn)圍受限於±2^15.

Conditional jump

beq reg1 reg2 L1 #if(reg1==reg2) goto L1
bne reg1 reg2 L1 #if(reg1!=reg2) goto L1

範(fàn)例:

if(i==j)
     {f=g+h;}
else {f=g-h;}

----

        bne $s3 $s4 Else # if(i!=j) goto else
        add $s0 $s1 $s2  # f=g+h
        j Exit           # 跳出
Else:   sub $s0 $s1 $s2  # f=g-h
Exit:

範(fàn)例2

while (a[i]==k)
    {i+=1;}
---

Loop:   sll  $t1 $s3 2        #t1=i*4 因為每個element 4bytes長
        add  $t1 $t1 $s6      #第a[i]個element位址
        lw   $t0 0($t1)       #存memory讀a[i]到register
        bne  $t0 $s5 Exit     # if(a[i] !=k ) goto Exit
        addi $s3 $s3 1        #     i=i+1
        j    Loop
Exit:   ...