ISA的折中

ISA和微结构之间的权衡

什么是ISA

ISA是指令集，是一种归约，规定了如何使用硬件，是硬件的抽象。（是一系列规定）

无论怎么实现底层硬件，程序员看到的执行结果与定义指令设计应当一致。

什么是微结构

负责实现ISA规定的操作

 

ISA与微体系结构的区别

微体系结构要在满足特定的设计限制和目标情况下实现ISA。

判断

ADD指令的操作码。属于ISA。

通用寄存器的数目。属于ISA。

到寄存器文件的端口数目。属于微体系结构。

执行MUL指令的周期数。微体系结构。

机器决定是否采用流水线执行。微体系结构。

 

设计点

一系列的设计需要考虑，导致了需要在ISA和微体系结构之间权衡

价格，性能，功耗等等。

 

Tradeoffs（计算机体系结构的关键）

折中的级别

ISA级别的折中

微体系结构级别的折中

系统和任务级别的折中：如软硬件接口

 

ISA设计原则

指令

组成

操作码：指令的功能。

操作数：被指令操作的数。

寻址模式决定了如何获取操作。

例如

RA RB RC：三操作数，如两个操作数相加存储到第三个操作数

RA RB：两操作数，如load指令，基地址加 + 偏移

RA：单操作数，如直接访存。

Number：特权指令

Unused 指令：用于保留，方便扩展

 

 

指令中的转向位

      第12位表示译码方式，标签前面12位应该编译成寄存器还是其他的。

第12位为0表示，Rb作为源寄存器的操作数

第12为为1表示，<20:13>部分被解释为0到255之间的正整数，且是64位的0扩展。

 

ISA级别折中的方案

指令排序模型

决定控制流还是数据流

指令处理方式

指定操作数的数量和指令操作的执行方式

0-address: 堆栈机 (push A, pop A, op)

1-address: 累加器 (ld A, st A, op A)

2-address: 2操作数机器 (one is both source and dest)

3-address: 3操作数机器 (source and dest are separate)

Stack Machine（堆栈机）

所有元素在栈中。

操作数存在数据栈中，栈顶元素参与计算。

只支持两操作数，对于向量运算难以实现。

指令类别

操作指令：处理数据，获取数据，计算结果，存储结果。隐式顺序数据流

数据移动指令：在内存，寄存器，IO设备之间移动指令。隐式顺序数据流

控制流指令：改变指令执行的顺序。

数据类型

Integer, floating point, character, binary, decimal, BCD

ISA中有高级数据类型，好处是减轻了程序员的负担；缺点是底层微架构负担重

语义鸿沟（sematic gap）

也就是可读性，指令集越复杂，提供的指令种类越多，其可读性越好；而越精简的指令集，其许多功能需要软件实现，可读性就更差。

越接近高级语言，语义鸿沟越小，但是指令越复杂。（如复杂指令集CISC）

越接近低级语言，语义鸿沟越大，指令越简单。（如精简指令集SISC）

语义鸿沟大

每条指令都规定了机器中的整套控制信号。

编译器生成控制信号。

语义鸿沟小

ISA与高级语言相似。

 

存储结构

地址空间：内存中有多少唯一可识别的位置。

可寻址性：每一个可识别的位置可以存储多少数据。需要思考的问题如，位可寻址，字节可寻址，64位可寻址，32位可寻址，大尾端or小尾端。

影响最大的位放在高位，就是大尾端

影响最大的为放在低位，就是小尾端

更多寻址模式的优缺点

可以将高级别结构更好的映射到底层，编译器，微架构需要做更多工作。

寄存器

关键问题

数量多少

每个寄存器大小

有寄存器的好处

因为程序具有数据局部性，同一个数据在一段时间内可能会被多次访问。

 

ISA的 load-store结构 与 内存-内存结构

load-store结构：操作指令只在寄存器上操作。要通过load-stroe从内存中加载或存储数据。

memory-memory结构：操作指令可以在内存上操作。

 

与IO设备连接方式

内存映射IO：将内存区域映射到IO设备，I/O操作主要是对这些位置加载和存储

特殊IO指令：专门指令映射如X86中IN和OUT指令，处理芯片的端口。

要权衡哪种方式更加通用。

 

特权模式

各个模式分别能执行什么指令

异常和中断处理

指令出现问题，遵循什么程序？外部设备请求时，遵循什么程序？矢量中断or非矢量中断

虚拟内存

让内存看起来比实际内存大得多。

访问保护

 

复杂指令还是简单指令

复杂指令

一个指令可以做更多的工作。

优点

编码紧凑，编码占用位置小，内存利用率高。（因为是专门编写的）。

缺点

编译器能做优化的机会更少，硬件复杂度更高。

简单指令

一个指令只能处理少数工作，但是可以用其构造复杂指令。

指令长度trade-off

固定长度（统一解码也是这样）

所有指令长度固定。

好处

在硬件中容易解码单个指令。

容易并行解码。

缺点

指令中会浪费多余的位

ISA难以扩展

可变长度（非统一解码也是这样）

指令长度不固定。

好处

更紧凑

缺点

解码单个指令更复杂。

难以并行解码。

权衡

码长 和 硬件复杂性 之间。

ISA的 可扩展性 和 可读性 之间

更紧凑的码 和 更容易解码 之间权衡

寄存器个数的权衡

寄存器个数的影响

1. 1. 1. 1. 用于编码寄存器地址的位数。（寄存器越多，其寄存器地址所需的位数也就越多）
         2. 保存在快速存储中的值的数量（寄存器文件）
         3. 寄存器文件的大小、访问时间、功耗

寄存器数量多

编译器可以更好的分配寄存器

更大的指令尺寸

更大的寄存器文件大小

寻址模式

寻址模式决定了如何获取到一个指令的操作数。

更多的寻址模式

好处

帮助更好的编程构造（如基于array的访问，基于指针的访问）

缺点

但是使得结构设计更难

编译器的选择太多

MIPS对齐访问与非对齐访问

对齐访问

对齐访问不能跨边界

如访问3，4，5，6

计算机访问的最小单位是Byte

如访问0前半部分和1的后半部分，就无法去取。

非对齐访问

当跨边界的时候

LWL取低位，LWR取高位。

拼在一起。

但是速度很慢。

内部本质上还是对齐访问

X86可随意访问，但是需要程序员负责

LD/ST指令会自动划分数据边界。程序员不需要担心

微体系结构

指令处理过程——冯诺依曼模型

处理一个指令之前的体系结构状态A -> 处理一个指令之后的体系结构状态A'

ISA决定给定的状态A应该变成什么样的状态A'。（定义一个有限状态机决定状态；从ISA角度看，A到A'没有中间状态。）

微体系结构决定如何将状态A变成状态A'。（可以选择没有中间状态，对程序员不可见，提高速度。若选择有中间状态，速度慢）

指令是按照控制单元的方向一步一步执行的

指令周期：处理一个指令时的一系列步骤，通常包含5个步骤。

单周期机器

每个指令只有一个时钟周期，也就是5个步骤需要1个时钟周期完成。

在指令执行结束会产生所有的状态更新。

缺点：最慢的指令决定了整个周期

多周期机器

单个指令被分解为多个周期执行，也就是5个步骤可以使用多个时钟周期完成，事实上每阶段需要多个时钟周期完成。

指令执行期间会产生状态更新。

指令执行结束会产生体系结构状态更新。

优点：单个指令中，最慢的一个stage决定整个周期

 

指令执行步骤

取指令

解码

执行

load/store

写会结果

 

数据通路角度看体系结构变换

转换是由一系列功能单元组成，这些单元被告知对数据做什么

指令处理包含两个组件：

数据路径：由 处理和转换数据的信号的硬件组成。

控制逻辑：由 决定控制信号的硬件组成。

单周期和多周期

都有控制信号和数据信号

单周期中，控制信号在处理数据信号的同一时钟周期内生成。所有与指令相关的都在一个周期内处理完。

多周期中，下一个周期的控制信号提前一个周期生成。好处是控制处理的延迟可以和路径操作的延迟重叠。