数据表示寻址方式与指令系统

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1、,第二章 数据表示、寻址方式与指令系统,目录,数据表示 寻址方式 指令系统的设计和优化指令系统的发展和改进,1 数据表示,数据表示与数据结构 高级数据表示 自定义数据表示（Self_defining） 带标识符的数据表示 数据描述符 向量数组数据表示 堆栈数据表示 引入数据表示的原则 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择（选讲）,数据表示,定义：机器硬件能直接识别和引用的数据类型。 条件：相应的运算指令和运算硬件(处理部件)。 分类：基本数据表示、高级数据表示、自定义数据表示。 目标： 缩小高级语言和机器语言间的语义差别 提高性能/价格 节省处理时间和存储空间 实现：最小的存储空间、最简单的

2、存取算法。,数据表示与数据结构,数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。由硬件实现的数据类型 数据结构：面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。由软件实现的数据类型。 目标：最大限度满足应用要求、最简化的方法实现。 实现：通过数据表示和软件映象相结合方法实现。 数据表示是数据类型的子集。 数据表示的确定实质上是软、硬件的取舍问题 数据结构和数据表示是软、硬件的界面,数据类型,定义：具有一组值的集合，且定义了作用于该集合的操作集。 目的：防止不同类型数据间的误操作。 分类：基本类型、结构类型。 基本数据类型 内容：二进制位、二进制位串、整数、十进制数、浮点数、字符、布尔

3、数等。 结构数据类型定义：由一组相互有关的数据元素复合而成的数据类型。 分类：系统数据类型、用户自定义数据类型 内容：数组、字符串、向量、堆栈、队列、记录等,数据表示中应表达的内容,数值的表达 进位制数、负数、小数点的方式 字符和符号的表达 ASCII码 数据单位的表达 字：逻辑单位，一条指令处理的数据单位。32Bit, 字节、半字、字、双字 数据的属性 类型、存放的位置、对数据的约束,数据表示的发展,定点数据表示 用定点数表示浮点数 不方便而低效 50年代提出变址操作，为向量、阵列提供方便。 用循环遍历向量和阵列 可变长字符串数据表示 支持串数据结构的实现 用于输入、输出、事务处理和编译,高

4、级数据表示,自定义数据表示（Self_defining） 带标识符的数据表示 数据描述符 向量数组数据表示 堆栈数据表示,带标识符的数据表示,主要用于指明数据类型（如二进制整数、十进制整数等，也可用于指明及其内部所用信息的各种类型。对高级程序员透明。,带标识符的数据表示的优缺点,优点: 简化指令系统和程序设计 简化编译程序 便于一致性校验 能由硬件自动完成数据类型的变换 支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求 为软件调试和应用软件开发提供支持；,缺点： 使程序所占用的主存空间增加（如下图） 降低指令的执行速度； 必须用专门的指令完成标识符的初始化,采用标识符缩短操作码而节省程序空间,通常有面

5、积B面积A,数据描述符,000,数据,描述符,数据,目的：描述复杂和多维的结构类型。,数据描述符,实现阵列数据的索引比变址方法实现的好，而且能检查程序设计中阵列越界错误。 为向量、数组数据结构的实现提供一定的支持，有利于简化编译中的代码生成。 工作过程：如下图,描述符的工作过程,数据描述符与带标识符的区别,标识符是和每一个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征。描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的数据是整块数据还是单块数据，访问该数据块或数据元素需要的地址以及其他特征信息等。,向量数组数据表示,举例：计算 i=10、11.1000 C语言：for (i=10; i

6、=1000; i+)Ci=ai+bi,向量数据表示： C=A+B,向量处理机（向量计算机）（Vector Processor）：具有向量表示和相应的向量运算指令的计算机。 标量处理机（标量计算机）（Scalar Processor）：不具有向量表示和相应的向量运算指令的计算机。,向量数据,向量的表示 数组 为A的元素。 可为定点数、浮点数、整数、逻辑数等。 向量在主存储器中的存放原则 规律性 地址计算简单 访存冲突小 向量的存放方式 元素相邻存放 元素等间距存放,向量数据,向量存储的参数 基地址、位移量、向量长度 稀疏向量的压缩 采用隐蔽位向量方法，如下图 向量指令格式的描述 寄存器-寄存器

7、存储器-寄存器 存储器-存储器,稀疏向量的压缩,堆栈数据表示,有利于编译和子程序调用。 堆栈机器：具有堆栈数据表示的机器。 有若干高速寄存器组成的硬 件堆栈，并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上组成一个整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，堆栈的容量是主存的； 有很丰富的堆栈操作类指令且功能很强，直接可对堆栈中的数据进行各种运算和处理； 有力地支持高级语言程序的编译；逆波兰表达式 有力地支持子程序的嵌套和递归调用。,堆栈数据表示（续）,有力地支持高级语言程序的编译；逆波兰表达式F=A*B+C/(D-E) 逆波兰表达式 AB*CDE-/+ 有力地支持子程序的嵌套和递归调用。 减少大量辅助性工作

8、 多使用零地址指令 存储效率高,引入数据表示的原则,看系统的效率是否提高，是否减少了实现时间和所需的存储空间； 举例1：两个200*200的二维定点数组相加PL/1 A=A+B, 无阵列型：6条指令，4条循环 200*200=40000 有阵列型：1条指令，减少4*40000=160000字,引入数据表示的原则（续）,看引入数据表示后，其通用性和利用率是否高； 通用性：是否对多种数据结构均适用。 利用率：硬件设置大小的选择。数据结构的发展总是优先于机器的数据表示，应尽可能为数据结构提供更多的支持。,浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择,二进制的定点数 符号数值、反码、补码 浮点数数据表示 I

9、EEE标准754 1985年 提出 三部分：符号位、指数、尾数浮点数尾数基值的选择 浮点数尾数下溢处理方法,IEEE754表示：,若E=0且M=0，N为0 若E=0且M0，N=(-1)S2-126 (0.M)，非规格化数； 若1E254，N=(-1)S2E-127 (1.M)，规格化数； 若E=255且M 0，N=NaN（非数值）； 若E=255且M = 0，N= (-1)S （无穷大）,浮点数尾数下溢处理方法,2 寻址方式,寻址方式：是指令按什么方式寻找（访问）到所需的操作数或信息的。寻址方式分析 逻辑地址与主存物理地址,寻址方式分析,面向主存：主要访问内存，少量访问寄存器面向通用寄存器：多

10、数在寄存器，少量在内存面向堆栈：主要在堆栈，可减轻编译负担,寻址方式的种类,寄存器寻址 ADD R4,R3 R4-R4+R3 立即寻址 ADD R4,#3 R4-R4+3 直接寻址 ADD R1,(2000) R1-R1+M2000 间接寻址 ADD R4,(R1) R4-R4+MR1 相对寻址 ADD R4,100(R1) R4-R4+M100+R1,寻址方式的种类（续）,变址寻址 ADD R3,(R1+R2) R3-R3+MR1+R2 寄存器间接寻址 ADD R1,(R3) R1-R1+MMR3 自增自减寻址 ADD R1,(R2)+ R1-R1+MR2 R2-R2+d 比例寻址 ADD

11、R1,100(R2)R3 R1-R1+M100+R2+R3*d,寻址方式在指令中的指明方式,操作码占用位 DJS200中：操作码中2位表示 地址码设置寻址方式字段 VAX-11的4位 寻址灵活、操作码短，需专门的寻址方式位字段,使用概率分析法分析寻址方式,例1：在VAX指令集机器上运行gcc、Spice和Tex基准程序，各种寻址方式的分布如下图：,逻辑地址与主存物理地址,逻辑地址：程序员编写程序时使用的地址。 物理地址：程序在主存中的实际地址。一般来讲，逻辑地址的空间大于物理地址的空间。 如逻辑地址为32位，即232=4GB 物理地址只有256MB 映射实际上是压缩。,静态再定位：用软件方法把

12、目标程序的逻辑地址变换成物理地址，而在程序的执行过程中，物理地址不再改变。动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物理地址的方法。通过基址寻址。,变址寻址：支持向量、数组，实现循环； 基址寻址：支持逻辑地址到物理地址的变换，实现动态再定位； 存储保护：设置多对上、下界寄存器。 整数边界存储 保证访存速度 造成浪费,3 指令系统的设计和优化,指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面 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 指令系统的设计主要包括指令的功能（

13、操作类型、具体操作内容）和指令格式的设计.,内容,指令系统设计的基本原则指令操作码的优化指令字格式的优化,指令设计的步骤,根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令； 试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序； 对各种算法白那些大量测试程序进行模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高； 将程序中高频出现的指令串复合改成一条强攻能新指令，即改用硬件方式实现；而将频度很低的指令的操作改成基本的指令组成的指令串来完成，即用软件方式实现；,指令类型,非特权型：主要供应应用程序员使用，也可供系统程序员使用，包括算术逻辑运算、数据传送、浮点运算、字符串、十进制运算、控制转移及系统控制等；

14、特权型：系统程序员使用，用户无权使用，有启动I/O（多用户环境下）、停机等待、存储管理保护、控制系统状态、诊断等；,指令系统的设计,设计的原则：如何支持编译系统能高效、简易地将源程序翻译成目标代码。 规整性 对称性 独立性和全能性 正交性 可组合性 可扩充性,系统设计人员希望,指令码密度适中 高密度指令：强功能符合指令 优点：减少程序长度、访存次数、Cache、虚存访问调度次数、程序运行时间； 缺点：指令系统复杂，硬件实现困难； 兼容性 适应性,指令系统的设计包含的内容,指令的格式 指令的类型 操作功能 操作数的访问方式-寻址方式,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

15、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 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,指令设计要考虑的问题,操作数的存储形式 存储器 CPU内什么地方 每条指令中显式说明的操作数个数 操作数的位置 操作类型 操作数的类型和长短,指令格式的优化,指令=操作码+地址

16、码指令格式的优化：如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指 令的平均字长最短。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,操作码的优化表示,操作码的三种编码方法： 固定长度： 规整性好，解码简单，空间大。 Huffman编码：空间小，规整性不好，解码复杂。 扩展编码： 折衷方案。,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,哈夫曼（Huffman）压缩,当各种事件发生的概率不均等时，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允许用较长的位数（时间）来表示（处理），以达到平均位数减少的目的。 用于代码压缩、程序压缩、空间压缩和时间压缩,