计算机系统结构课件3

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1、第二章 指令系统指令系统是计算机系统结构的主 要组成部分 指令系统是软件与硬件分界面的 一个主要标志 指令系统是软件与硬件之间互相 沟通的桥梁 指令系统与软件之间的语义差距 越来越大第二章 指令系统2.1 数据表示 2.2 寻址技术 2.3 指令格式的优化设计 2.4 指令系统的功能设计2.1 数据表示主要介绍:新的研究成果，如浮点数基值的选择方法2.1.1 数据表示与数据类型2.1.2 浮点数的设计方法2.1.3 自定义数据表示2.1.1 数据表示与数据类型数据表示的定义：数据表示是指计算 机硬件能够直接识别，可以被指令系统 直接调用的那些数据类型。 定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字 符串

2、、堆栈和向量 数据类型：文件、图、表、树、阵列 、队列、链表、栈、向量、串、实数、 整数、布尔数、字符等。 确定哪些数据类型用数据表示实现， 是软件与硬件的取舍问题。确定数据表示的原则： 1.缩短程序的运行时间 2.减少CPU与主存储器之间的通信量 3.这种数据表示的通用性和利用率数据表示在不断发展 如：矩阵、树、图、表及自定义数据表 示等2.1.2浮点数据表示主要包含三部分 （1）浮点数的表数范围（2）浮点数的表数精度（3）浮点数的表数效率2.1.2 .1浮点数的表数范围1、浮点数的表示方式 一个浮点数N可以用如下方式表示：需要有6个参数来定义。两个数值： m：尾数的值，包括尾数的码制(原码

3、或补 码)和数制(小数或整数） e：阶码的值，移码(偏码、增码、译码、余 码等)或补码，整数两个基值： rm：尾数的基值，2进制、4进制、8进制、 16进制和10进制等 re：阶码的基值，通常为2两个字长： p：尾数长度，当rm16时，每4个二进制位 表示一位尾数 q：阶码长度，阶码部分的二进制位数 p和q均不包括符号位浮点数的存储式注：mf为尾数的符号位，ef为阶码的符号位 ，e为阶码的值，m为尾数的值。 研究目的：尽量短的字长实现尽可能大的表 数范围和尽可能高的表数精度。 2、浮点数的表数范围 尾数为原码、小数，阶码用移码、整数时， 规格化浮点数N的表数范围：1位1位q位p位 mfefem

4、尾数为补码，而正数区间不变,负数区间 的表数范围为：浮点数在数轴上的分布情况 上溢上溢下溢（浮点零）NminNmax-NmaxNmin0负数区正数区尾数采用纯小数，绝对值最大的浮点数为假设有两种浮点数表示方式F1和F2F1：尾数的基值为2，阶码的长度为q1F2:尾数的基值为rm，阶码的长度为q1则两种浮点数表示方式表数范围的比值为 ：2.1.2.2浮点数的表数精度表述精度也称表数误差，是由浮点数的不连续 性造成的。 绝对误差不能确定，不均匀相对误差能确定，长度确定3浮点数的规格化同一个浮点数的表示不是唯一的。0.5可表示为0.05 *101 , 50*10-2尾数用原码表示，最高位不等于零，称

5、之为规格化数。 尾数用补码表示，最高位与符号位不等，称之为规格化 数。尾数的符号位表示整个数的正负。 阶码的符号位表示把尾数扩大(缩小)N倍。规格化浮点数的表数精度主要与基值rm 和尾数长度P有关，基值越小，表数精度 越高。2.1.2.3浮点数的表数效率基值越大，表数效率越高。 定义：2.1.2.4浮点数尾数基值的选择1、字长确定 表数范围与q和rm有关 表数精度与p,rm有关 表数效率与rm有关 2、尾数基值rm,确定后，根据表数范围和 表数精度确定p和q结论1：在浮点数的字长和表数范围一定 时，尾数基值rm取2或4时，具有最高的表 数精度。 结论2：在浮点数的字长和表数精度一定 时，尾数基

6、值rm取2或4时，具有最大的表 数范围; 结论3：在浮点数的字长确定后，尾数基 值rm取2或4时，具有最高的精度和最大的 表数范围。2.1.2.5、浮点数格式的设计 定义浮点数表示方式的6个参数的确定 原则：1、尾数m的编码和码制：多数机器采用 原码、小数表示。采用原码制表示：加减 法比补码表示复杂，乘除法比补码简单， 表示非常直观。采用小数表示能简化运算 ，特别是乘除法运算。2、阶码e的数值和码制：一般机器都采 用整数、移码表示。采用移码表示的主要 原因是：浮点0与机器0一致。阶码进行加 减运算时，移码的加减法运算要比补码复 杂3、尾数的基值rm，根据上一节的结论 ，选择2，表数范围最大,误

7、差最小,效率最 高。 4、阶码的基值re，取2，基本存储单元。2.1.2.6浮点数的舍入处理1、恒舍法，积累大，不太用 2、恒置法，表数精度低，积累小 3、下舍上入法 精度高，积累误差小 4、R*舍入法 5、查表法2.2 寻址技术 寻找操作数及其他信息的地址的技术 称为寻址技术 内容：编址方式、寻址方式和定位方 式 对象：寄存器、主存储器、堆栈 和输入输出设备 方法：分析各种寻址技术的优缺点， 如何选择和确定寻址技术 2.2.1 编址方式 2.2.2 寻址方式 2.2.3 定位方式 重点是寻址方式的选择方法2.2.1 编址方式编址方式是指对各种存储设备进行编 码的方法。 主要内容：编址单位、零

8、地址空间个 数、并行存储器的编址技术、输入输出设 备的编址技术1、编址单位常用的编址单位：字编址、字节编址 、位编址、块编址等编址单位与访问字长 一般：字节编址，字访问 部分机器：位编址，字访问 辅助存储器：块编址 字节编址字访问的优缺点 有利于信息处理 地址信息浪费、存储器空间浪费 读写逻辑稍复杂 0字节位置引起的问题 2、零地址空间个数 三个零地址空间：通用寄存器、主存 储器和输入输出设备均独立编址两个零地址空间：主存储器与输入输 出设备统一编址 一个零地址空间：所有存储设备统一 编址，最低端是通用寄存器，最高端是输 入输出设备，中间为主存储器 隐含编址方式，实际上没有零地址空 间：堆栈、

9、Cache等3、输入输出设备的编址一台设备一个地址 一台设备两个地址：数据寄存器、状 态或控制寄存器一台设备多个地址。对编程增加困难 4、 并行存储器的编址技术高位交叉编址 主要目的是用来扩大存储器容量。 低位交叉编址 主要目的是提高存储器速度。2.2.2 寻址方式寻址方式：寻找操作数及数据存放单 元的方法。 主要内容：设计思想和设计方法 1、寻址方式的设计思想立即数寻址方式 用于数据比较短、源操作数 面向寄存器的寻址方式2、寄存器寻址主要优点：指令字长短、指令执行速 度快、支持向量和矩阵运算 主要缺点：不利于优化编译、现场切 换困难、硬件复杂 3、主存具体分为：直接、间接、变址（包 括相对变

10、址和动态重定位也即基址寻址）主要优缺点比较： 采用变址寻址方式编写的程序简单、易读。 对于程序员，两种寻址方式的主要差别是： 间址寻址方式：间接地址在主存储器中， 没有偏移量 变址寻址方式：基地址在变址寄存器中， 有偏移量 实现的难易程度：间址寻址方式容易 指令的执行速度：间址寻址方式慢 对数组运算的支持：变址寻址方式比较好自动变址： 在访问间接地址过程中，地址自动增减变址与间址混合时，两种方式： 前变址寻址方式：EA(X)A) 后变址寻址方式：EA(X)(A)4、堆栈寻址方式主要优点：支持高级语言，有利与编译 程序；节省存储空间 支持程序的嵌套和递归调用， 支持中断处理 主要缺点：运算速度比

11、较低，栈顶部分 设计成一个高速的寄存器堆2.2.3 定位方式逻辑地址：是指相对于本程序或本程序段的 地址。物理地址：是指程序在主存储器中使用的实 际地址。程序的主存物理地址在什么时间确定？ 采用什么方式来实现？ 程序需要定位的主要原因：程序的独立 性；程序的模块化设计；数据结构在程序运 行过程中，其大小往往是变化的；有些程序 本身很大，大于分配给它的主存物理空间直接定位方式：在程序装入主存储器之 前，程序中的指令和数据的主存物理就已 经确定了的称为直接定位方式。 静态定位：在程序装入主存储器的过程 中随即进行地址变换，确定指令和数据的 主存物理地址的称为静态定位方式。 动态定位：在程序执行过程

12、中，当访问 到相应的指令或数据时才进行地址变换， 确定指令和数据的主存物理地址的称为动 态定位 方式。第二章 指令系统2.1 数据表示 2.2 寻址技术 2.3 指令格式的优化设计 2.4 指令系统的功能设计2.3 指令格式的优化设计主要目标： 节省程序的存储空间 指令格式尽量规整，便于译码 研究内容： 操作码的优化表示；地址码的优化表示 2.3.1 指令的组成2.3.2 操作码的优化设计2.3.3 地址码的优化设计2.3.4 指令格式设计举例2.3.1 指令的组成一般的指令主要由两部分组成：操作码 和地址码 操作码主要包括两部分内容： 操作种类：加、减、乘、除、数据传送、 移位、转移、输入输

13、出 操作数描述： 数据的类型：定点数、浮点数、复数、字 符、字符串、逻辑数、向量 进位制：2进制、10进制、16进制 数据字长：字、半字、双字、字节操作码地址码地址码通常包括三部分内容： 地址： 直接地址、间接地址、立即数、 寄存器编号、变址寄存器编号 地址的附加信息： 偏移量、块长度、跳距 寻址方式： 直接寻址、间接寻址、立即数寻址、 变址寻址、相对寻址、寄存器寻址2.3.2 操作码的优化表示操作码的三种编码方法： 固定长度，Huffman编码、扩展编码改进操作码编码方式能够节省程序存 储空间，例如：Burroughs公司的B-1700 机操作码 编码方式整个操作系统所用 指令的操作码总位数

14、改进的 百分比 8位定长编码 4-6-10扩展编码 Huffman编码301,248 184,966 172,3460 39 432、Huffman编码法 1992年由Huffman首先提出哈夫曼压缩的基本思想：当各种事件发生的概率不均时，采用优化技术对 发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（ 处理），而对出现概率较低的，用较长的位数（时间 ）来表示（处理），就会导致表示（处理）的平均位 数（时间）的缩短。2、Huffman编码法 1992年由Huffman首先提出操作码的最短平均长度可通过下式计 算：其中：Pi表示第i种操作码在程序中出现的 概率 固定长操作码相对于 Huffman操

15、作码的 信息冗余量为：3、扩展编码法 Huffman操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与Huffman编码 法相结合形成2.3.3地址码的优化表示1、地址码个数的选择 （1）三地址指令 （2）二地址指令 （3）一地址指令 （4）零地址指令2、缩短地址码长度的方法： （1）用间接寻址法 （2）用变址寻址法 （3）用寄存器间接寻址法 OPC Ad As OPC Ad As1 As2OPCA OPC2.3.4 指令格式设计举例指令的长度：有固定长度和可变长度 两种 操作码长度：有固定长度和可变长度 两种例如： IBM

16、370系列机，操作码长度固定：8位指令长度有16位、32位和48位等多 种 地址个数以两地址为主 16个通用寄存器可兼做变址寄存器和基址 寄存器使用第二章 指令系统2.1 数据表示 2.2 寻址技术 2.3 指令格式的优化设计 2.4 指令系统的功能设计2.4 指令系统的功能设计 考虑的三个因素：速度、价格和灵活性 即规整性、高效性和兼容性 2.3.1 指令的组成 五类：数据传送，运算，程序控制，输入输 出，处理机控制和调试 1、数据传送类指令move, load, store 由如下三个主要因素决定： 数据存储设备的种类 数据单位：字、字节、位、数据块等 采用的寻址方式2、运算类指令考虑四个因数的组合： (1) 操作种类：加、减、乘、除、与、或 、非、异或、比较、移位、检索、转换、 匹配、清除、置位等 (2) 数据表示：定点、浮点、逻辑、十进 制、字符串、定点向量等 (3) 数据长度：字、双字、半字、字节、 位、数据块等 (4) 数据存储设备：通用寄存器、主存储 器、堆栈等3、程序控制指令主要包括三类：转移指令、调用和返回 指令、循环控制指令 转移条件有：