计算机体系结构基础 第3版 课件第3讲_指令系统及软硬件协同.pdf
计算机体系结构六讲
胡伟武
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第3讲：指令系统及软硬件协同
•指令系统结构及ABI
•存储管理的软硬件协同
•计算机系统启动过程
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指令系统结构及ABI
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什么是指令系统
•指令系统是计算机功能的抽象模型
•是软硬件的界面，所有软件最终都以指令的形式运行
•体现了结构设计者对计算机系统及其应用的深刻理解
•一个指令系统可以有多种实现（低功耗、高性能、软件模拟...）
•指令系统结构不仅仅是关于指令功能的编码
•运行环境：地址空间、异常和中断处理、存储管理、安全管理、Cache管理等
•运行环境差异比功能差异大，如MIPS有5组寄存器，PPC有14组
应用软件上层
软上层软件微信微博电商...
操作系统、编译器、虚拟机基础件基础软件AndroidiOSLinux
指令系统指令系统ARMAArch64
微体系结构逻辑微结构QualcommARMApple
硬KraitA72/A53Twister
电路与器件物理件电路器件TSMCSMIC28nm/16nm…
FinFET/HKMG…
指令系统是不断发展的
•作为计算机软硬件的界面，指令系统是不断发展的
•X86位宽从8位、16位、32位、64位不断发展
•功能从只支持定点、到浮点、到媒体指令、到向量指令
•向量指令又经历了MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4、AVX等
•技术和应用发展对指令系统提出新要求
•多核结构要求指令增加对多核同步、通信和数据一致性的支持
•向量部件需要指令系统增加专门的向量指令
•媒体类应用要求指令系统增加对媒体编解码的专门支持
•云计算要求指令系统增加对虚拟机的支持；等等
指令系统的组成
•指令的主、谓、宾
•CPU、操作、操作数
•操作
•算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令
•操作数
•数据类型：定点/浮点，32位/64位
•访存对象：字节/半字/字/双字，大/小尾端
•寻址方式：立即数、寄存器、直接、间接
•指令编码
•定长、变长
指令格式的演变
•依据指令长度的不同，指令系统分为
•复杂指令系统（ComplexInstructionSetComputer，简称CISC），其指令长度可变（x86:
1~15字节）
•精简指令系统（ReducedInstructionSet