《计算机系统结构》电子教案(课2).pptxVIP

本章主要内容第2章指令系统的设计计算机系统结构1指令操作码的优化（不讲）RISC技术简介MIPS指令集MIPS模拟器（补充2.4.2RISC技术简介（P44）名词：RISC——ReducedInstructionSetComputing，精简指令集计算机(1)RISC产生的背景：20%与80%规律(2)RISC设计的基本原则：只设置最常用的简单指令，凡遇复杂操作均用多条简单指令实现；指令长度固定，操作码与操作数长度都尽量统一；基本指令的启动时间间隔降低到1个时钟周期；访问主存只有load和store指令，用变址寻址；尽量采用硬连逻辑对指令译码；为了加快执行速度，在编译过程中对目标代码结构进行优化；(3)RISC性能优势的原因采用RISC技术的主要动机是使各条指令的执行时序尽可能一致，CPU在执行时间上可以把它们安排得更紧凑，就像许多大小相近的箱子容易被堆放得更密集一样。这样机器内的各种资源可以充分利用，单位时间内能执行更多的指令，速度更快。这方面的具体内容，在第3章讲流水线时会详细介绍。

2.4.2RISC技术的发展计算机系统结构320世纪70年代初，IBM研究中心的JohnCocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，1974年，他提出RISC的概念。在RISC的早期研究中，加州大学伯克利分校（UCBerkeley）和斯坦福大学（Stanford）提出了许多有创见的新思想。伯克利率先在1982年完成了RISCI型32位芯片的设计，斯坦福大学则在JohnHennessy（现任校长）带领下于1983年完成了第一个采用RISC理念的商用MIPS微处理器。1984年Hennessy等人创建了MIPS计算机公司，1998年改名为MIPS技术公司（美普思科技公司，MIPSTechnologiesInc），目前是美国最著名的芯片设计公司之一。MIPS技术公司本身不生产微处理器，它只设计高性能工业级的32位和64位CPU的结构体系，并且向其它半导体公司提供使用其内核（IP）的授权，用于生产基于MIPS而又各具特色的微处理器。1999年MIPS技术公司发布了MIPS32和MIPS64架构标准。MIPS的通用微处理器主要用于构建高性能工作站、服务器和超级计算机系统，其嵌入式产品在1999年以前全球销量第一，目前也仅次于ARM。

MIPS处理器计算机系统结构4MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。MIPS具有强大的应用基础，能在MIPS上运行的操作系统，包括Linux、WindRiver、WinCE、GNU、和MontaVista等；支持14种编译器，包括MIPS、SDE、GreenHills、GNU和WindRiver等；支持15种调试器，包括GNU、GreenHills、WindRiver、ASHLING和FS2等；支持18种仿真工具，包括MentorGraphics、Synopsys、CoWare和Candence等。中国科学院计算所的龙芯1和2都采用64位MIPS指令架构。中国龙芯已与MIPS公司合作，购买其指令系统授权，以便批量生产与出口。

2.6.1MIPS的寄存器（P47）32个64位通用寄存器（GPRs），也称为整数寄存器名称是R0，R1，…，R31（也可写为$0，$1，…，$31）R0的值永远是0，可用作源寄存器，也可作为无用结果的目的寄存器；R31用于存放跳转并链接类指令的返回地址。32个64位浮点数寄存器（FPRs）F0，F1，…，F31用来存放32个单精度浮点数（32位），也可以用来存放32个双精度浮点数（64位）。存储单精度浮点数（32位）时，只用到FPR的一半，其另一半没用。特殊功能寄存器PC（programcounter，程序计数寄存器）HI（整数乘除结果高位寄存器，除法余数）LO（整数乘除结果低位寄存器，除法的商）它们可以与通用寄存器交换数据。浮点状态寄存器：用来保存有关浮点操作结果的信息。

MIPS的寄存器别名（程序员习惯用法）MIPS编译器支持一些专业程序员对32个通用寄存器GPR（GENERALPURPOSEREGISTER）约定的习惯性用法（非强制的）：REGISTERNAME USAGE$0$zero 常量0(constantvalue0)$2-$3$v0-$v1 函数调用返回值(valuesforresultsandexpressionevaluation)$4-$7$a0-$a3 函数调用参数