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1、2.1 数据表示数据表示2.2 寻址技术寻址技术2.3 指令格式的优化设计指令格式的优化设计2.4 指令系统的功能设计指令系统的功能设计2.5 RISC指令系统指令系统2.6 VLIW指令系统指令系统第第2章章 指指 令令 系系 统统1在机器上直接运行的程序是由指令组成的程序是由指令组成的。指令系统是软件与硬件之间的一个主要分界面，也是他们之间互相沟通的一座桥梁互相沟通的一座桥梁。硬件设计人员采用各种手段实现指令系统，而软件设计人员则使用这些指令系统编制系统软件和应用软件，用这些软件来填补指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。指指令令系系统统设设计计必须由软件设计人员和硬件设计人员共同来
2、完成。指令系统发展相当缓慢，需要用软件来填补的东西也就越来越多。本章主要内容有三大方面：本章主要内容有三大方面：数据表示寻址技术指令系统设计有三种类型的指令系统：有三种类型的指令系统：CISC：复杂指令系统RISC：精简指令系统VLIW：超长指令字指令系统设计：指令系统设计：指令的格式设计指令系统的功能设计指令系统的性能评价2.1 2.1 数据表示数据表示2.1.1 数据表示与数据类型数据表示与数据类型2.1.2 浮点数的表示方法浮点数的表示方法2.1.3 浮点数格式设计浮点数格式设计2.1.4 浮点数的舍入处理浮点数的舍入处理2.1.5 警戒位的设置方法警戒位的设置方法2.1.6 自定义数据
3、表示自定义数据表示2.1.1 2.1.1 数据表示与数据类型数据表示与数据类型数据表示的定义：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。以被指令系统直接调用的那些数据类型。例如：定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等数据类型：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硬件的取舍问题 确定数据表示的原则确定数据表示的原则 一是缩短程序的运行时间一是缩短程序的运行
4、时间 二是减少二是减少CPUCPU与主存储器之间的通信量与主存储器之间的通信量 三是这种数据表示的通用性和利用率三是这种数据表示的通用性和利用率 数据表示在不断发展数据表示在不断发展 例如：矩阵、树、图、表及自定义数据表示 等已经开始用于数据表示中例例2.12.1：计算CAB，其中，A、B、C均为 200200的矩阵。分析采用向量数据表示 的作用。解：解：如果在没有向量数据表示的计算机上实现，一般需要6条指令，其中有4条指令要循环4万次。因此，CPU与主存储器之间的通信量：取指令：取指令：2 2440,000440,000条，条，读或写数据：读或写数据：340,000340,000个，个，共要
5、访问主存储器：共要访问主存储器：740,000740,000次以上次以上如果有向量数据表示，只需要一条指令。如果有向量数据表示，只需要一条指令。减少访问主存（取指令）次数减少访问主存（取指令）次数440,000440,000次次用软件和硬件结合的方法实现新的数据表示用软件和硬件结合的方法实现新的数据表示 用字节编址和字节运算指令来支持字符串数据表示 用变址寻址方式来支持向量数据表示因此，设计计算机系统时，要确定哪些数据类型用硬件实现，即数据表示；哪些数据类型用软件实现，即数据结构；哪些数据类型用软件和硬件混合实现。2.1.6 2.1.6 自定义数据表示自定义数据表示 一般处理机中的数据表示方法
6、一般处理机中的数据表示方法数据存储单元(寄存器、主存储器、外存储器等)只存放纯数据，数据的属性通过指令中的操作码来解释：数据的类型，如定点、浮点、字符、字符串、逻辑数、向量等；进位制，如2进制、10进制、16进制等；数据字长，如字、半字、双字、字节等；寻址方式，如直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址等；数据的功能，如地址、地址偏移量、数值、控制字、标志等；同一种操作(如加法)通常有很多条指令。P65表2.13在高级语言和应用软件中，每种操作通常只在高级语言和应用软件中，每种操作通常只有一种，数据的属性在数据被引用之前就已有一种，数据的属性在数据被引用之前就已经定义好了。经定义好了。数据的属
7、性由数据自己定义；在高级语言与机器语言之间的语义差距，要靠编译器等填补。Burroughs公司在大型机中引入自定义数据表自定义数据表示方式和带标志符的数据表示方式示方式和带标志符的数据表示方式1.1.带标志符的数据表示法带标志符的数据表示法 在B5000大型机中，每个数据有一位标志符 在B6500和B7500大型机中，每个数据有三位 来标志符 在R-2巨型机中采用10位标志符R-2巨型机中的标志符巨型机中的标志符 功能位：操作数、指令、地址、控制字 陷井位：由软件定义四种捕捉方式 封写位：指定数据是只读的还是可读可写 类型位：二进制,十进制,定点数,浮点数,复数,字符串,单精度,双精度；绝对地
8、址、相对地址、变址地址、未连接地址等。标志符由编译器或其它系统软件建立，对高标志符由编译器或其它系统软件建立，对高级语言程序员透明级语言程序员透明程序（包括指令和数据）的存储量分析程序（包括指令和数据）的存储量分析 数据存储量增加，指令存储量减少。数据存储量增加，指令存储量减少。例例2.13：假设X处理机的数据不带标志符，其指 令字长和数据字长均为32位；Y处理机的数据 带标志符，数据字长增加至35位，其中3位是 标志符，其指令字长由32位减少至30位。并 假设一条指令平均访问两个操作数，每个操 作数平均被访问R次。分别计算这两种不同类 型的处理机中程序所占用的存储空间。指令总条 数为I。解：
9、解：X和Y处理机程序占用的存储空间总和分别 为：和 程序占用存储空间的比值：当R3时，有 ，在实际应用中经常是 R10，即带标志符的处理机所占用的存储空间通常 要小。常规常规数据数据表示表示方法方法 与与带标带标志符志符数据数据表示表示方法方法 的的比较比较2.2.数据描述符表示法数据描述符表示法对于向量、矩阵、数组等，每个数据的属性相同，没有必要都带标志符。数据描述符与标志符的区别：标志符只作用于一标志符只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据。个数据，而数据描述符要作用于一组数据。描述符一般单独存放，独立占一个存储单元，描述出一组数据的属性，包括整个数据块的访问地址、长度等信息。2.
10、2.数据描述符表示法数据描述符表示法Burroughs公司生产的B-6700机中采用的数据描述符表示方法。最高三位为101时表示数据描述符，最高三位为000时表示数据。例P70存放一个34矩阵。2.2 2.2 寻址技术寻址技术寻找操作数及其地址的技术称为寻址技术，是软寻找操作数及其地址的技术称为寻址技术，是软件与硬件的一个主要分界面。研究内容包括：件与硬件的一个主要分界面。研究内容包括：2.2.1 编址方式编址方式 2.2.2 寻址方式寻址方式 2.2.3 定位方式定位方式 重点：寻址方式的选择重点：寻址方式的选择2.2.1 2.2.1 编址方式编址方式对各种存储设备进行编码的方法。对各种存储
11、设备进行编码的方法。主要内容：主要内容：编址单位、零地址空间个数、并行存储器的编址、编址单位、零地址空间个数、并行存储器的编址、输入输出设备的编址输入输出设备的编址1.1.编址单位编址单位常用的编址单位常用的编址单位：字编址、字节编址、位编址、块编址等字编址实现最容易，因为每个编址单位与设备的访问单位相一致，即每个编址单位所包含的信息量与访问一次设备所获取的信息量相同。每取完一条指令，程序计数器加1，每从主存中读出一个数据，地址计数器加1，地址信息、存储容量没有浪费。字节编址适应非数值计算的需要，能够使编址单位与信息的字节编址适应非数值计算的需要，能够使编址单位与信息的基本单位（一个字节）相一
12、致。通常主存的字长是一个字节基本单位（一个字节）相一致。通常主存的字长是一个字节的的4倍以上，有的达到几十倍。由于编址字长与存储器的访问倍以上，有的达到几十倍。由于编址字长与存储器的访问字长不一致，数据如何在主存中存放？字长不一致，数据如何在主存中存放？2.2.1 2.2.1 编址方式编址方式编址单位与访问字长编址单位与访问字长 一般：字节编址，字访问字节编址，字访问 部分机器：位编址，字访问 辅助存储器：块编址，位访问 字节编址字访问的优点：字节编址字访问的优点：有利于符号处理有利于符号处理 字节编址字访问的问题：字节编址字访问的问题：(1)地址信息浪费地址信息浪费 对于对于32位机器，浪费
13、位机器，浪费2位地址位地址(最低最低2位地址位地址)对于对于64位机器，浪费位机器，浪费3位地址位地址 (2)存储器空间浪费存储器空间浪费 (3)读写逻辑复杂读写逻辑复杂 (4)大端大端(Big Endin)与小端与小端(Little Endian)问问题题不浪费存储器资源，可能有的四种不同长度的数据一个接一个存放。两个缺点：（1）当要访问一个双字、一个单字或半字时，有可能花两个存储周期。（2）存储器的读写控制比较复杂。当从存储器中读出一个字节时，首先用除掉最低3位之外的其余地址去读主存，将从主存中读出8个字节。然后用地址的低3位控制一套多路开关从8个字节数据中选择一个。写的方法类似，读出和写
14、入只需一个存储周期，why？读一个字节读一个字节用多路选择器用多路选择器写一个字节写一个字节先读后写先读后写浪费部分存储器资源，无论存储的是字节、半字、字还是双字，都必须从一个存储字的起始位置存放。优点：一个存储周期即可读出数据。缺点：浪费部分存储器资源。双字地址的最末3个二进制位必须为000，单字地址的最末2个二进制位必须为00，半字地址的最末1个二进制位必须为0。优点：一个存储周期即可读出数据。缺点：浪费部分存储器资源，读写控制稍复杂。2.2.零地址空间个数零地址空间个数P75表2.14三个零地址空间三个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备独立编址两个零地址空间两个零地址空间：主
15、存储器与输入输出设备统一编址，一般在地址码的高端划出一部分来用作输入输出设备的地址。主存与I/O设备统一编址可以简化指令系统。一个零地址空间一个零地址空间：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：隐含编址方式：堆栈、Cache等3.3.并行存储器的编址技术并行存储器的编址技术高位交叉编址高位交叉编址：主要用来扩大存储器容量。地址码的低位部分是各个存储体的体内地址，高位部分经过译码器译码后，用来区分存储体的体号。低位交叉编址低位交叉编址：主要是提高存储器速度。地址码的低位部分是各个存储体的体号，高位部分经过译码器译码后，用来区分存储体的体内地址。2.2.2 2.2.
16、2 寻址方式寻址方式 寻找操作数及数据存放地址的方法寻找操作数及数据存放地址的方法1.1.寻址方式的设计思想寻址方式的设计思想立即数寻址方式立即数寻址方式 用于数据比较短，且为源操作数的场合用于数据比较短，且为源操作数的场合面向寄存器的寻址方式面向寄存器的寻址方式 OPCR OPCR,R OPCR,R,R OPCR,M寄存器寻址寄存器寻址P83P83主要优点：指令字长短（寄存器数量相对要指令字长短（寄存器数量相对要少），指令执行速度快，支持向量和矩阵等少），指令执行速度快，支持向量和矩阵等运算运算主要缺点：不利于优化编译，现场切换困难不利于优化编译，现场切换困难,硬件复杂硬件复杂 面向堆栈的寻址方式面向堆栈的寻址方式P85：OPC;运算型指令OPC M;数据传送型指令主要优点：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：运算速度比较低，栈顶部分设计成一个高速的寄存器堆 面向主存储器的寻址方式面向主存储器的寻址方式：直接寻址、间接间接寻址、变址、变址寻址、相对寻址 基址寻址、自动变址、OPCM OPCM,M OPCM,M,M2.2.3 2.
