計算機組成原理：3-3 指令系統(tǒng)

1、請交作業(yè)二P47: 23(1), 24P48: 25, 26, 27P76: 4, 5, 14, 16, 17, 19作業(yè)講評一P46: 5，9P47: 15, 18, 20(1), 21(1)P46:5，X=0.A1A2A3A4A5A6, X0，求A1A6滿足的條件:n X1/2 X1/2=0.100000B X=0.1A2A3A4A5A6 A1(A2A3A4A5A6)=1n X 1/8 X 1/8=0.001000B X=0.A1A2A3A4A5A6 A1A2A3=1n 1/4X1/16 X=1/16= 0.0001xxB (A1A2A3)A4(A5A6)=1 X =1/8= 0.001x

2、xxB (A1A2)A3=1 X =1/4= 0.010000B A2(A1A3A4A5A6)=1P46:9 字長16位,數(shù)值表示范圍n無符號整數(shù)：n用原碼表示的定點小數(shù)：n用補碼表示的定點小數(shù)：n用原碼表示的定點整數(shù)：n用補碼表示的定點整數(shù)：16整數(shù)部分的轉(zhuǎn)換方法除基取余法例如：用基數(shù)除法將例如：用基數(shù)除法將(327)10轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)2 327 余數(shù)2 163 1 2 81 1 2 40 1 2 20 0 2 10 0 2 5 0 2 2 1 2 1 0 2 0 1 (327)(327)10 10 =(=(101000111)101000111)2 2十進制轉(zhuǎn)換到R進制的方法

3、高位高位低位低位例: 將(0.1)10 轉(zhuǎn)換成二進制小數(shù) 整數(shù)部分整數(shù)部分 高位高位 0.1 2 = 0.2 00.2 2 = 0.4 00.4 2 = 0.8 00.8 2 = 1.6 10.6 2 = 1.2 10.2 2 = 0.4 00.4 2 = 0.8 00.8 2 = 1.6 10.6 2 = 1.2 1 低位低位 (0.1)10 10 = 0.0001100110011. 2 2 數(shù)制轉(zhuǎn)換誤差對編程的影響int i, j, k; for (k=0, i=0; i10000; i+) k+; coutk=kendl;for (k=0, j=0; j1000; j=j+0.1) k

4、+; coutk=kendl; 原因 (0.1)10 = 0.0001100110011. 2 階碼部分階碼部分E尾數(shù)部分尾數(shù)部分Mesms8 1 0 4 0P47.15 浮點數(shù)的表示范圍n 6位階碼位階碼(2為底，移碼為底，移碼)、10位尾數(shù)位尾數(shù)(補碼、規(guī)格化補碼、規(guī)格化)X最大正數(shù)最大正數(shù)=(1-2-(10-1) 226-1-1X最小規(guī)格化正數(shù)最小規(guī)格化正數(shù)= 2-1 2-26-1X絕對值最大負數(shù)絕對值最大負數(shù)= -1 226-1-10,00 1.011X絕對值最小負數(shù)絕對值最小負數(shù)= -(2-1+2-(10-1) 2-26-10,00 0.1001,11 0.1111,11 1.000

5、P47:18,把浮點數(shù)8C5A3E00H轉(zhuǎn)換成為十進制數(shù) 十六進制十六進制二進制形式，并分離出符號位、階碼和尾數(shù)。二進制形式，并分離出符號位、階碼和尾數(shù)。 8C5A3E00H= 10001100 010110100011111000000000 計算出階碼真值（移碼偏置值）計算出階碼真值（移碼偏置值） 10001100-10000000=1100 尾數(shù)的尾數(shù)的二進制數(shù)形式二進制數(shù)形式 +0. 10110100011111000000000 寫成浮點數(shù)形式寫成浮點數(shù)形式 +0. 1011010001111121100 轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，并加上符號位。轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，并加上符號位。 (+101101

6、000111.11)2=(+2887.75)10 所以，該浮點數(shù)所以，該浮點數(shù) = +2887.75D階階碼（移碼）碼（移碼）符號位符號位尾數(shù)尾數(shù)(補碼補碼) E(移碼移碼) ms m (補補碼碼)31 24 23 22 0P47:20(1)將28.75D轉(zhuǎn)換成IEEE短浮點數(shù)格式 十進制數(shù)十進制數(shù)二進制數(shù)二進制數(shù) (28.75)10=(11100.11)2 非規(guī)格化數(shù)非規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù)規(guī)格化數(shù) 11100.11=1.11001124 計算移碼表示的階碼（偏置值階碼真值）計算移碼表示的階碼（偏置值階碼真值） 1111111+100=10000011 以短浮點數(shù)格式存儲該數(shù)。以短浮點數(shù)格式存儲該

7、數(shù)。 符號位符號位=0 階碼階碼=10000011 尾數(shù)尾數(shù)=11001100000000000000000 短浮點數(shù)代碼為短浮點數(shù)代碼為 0;100 0001 1;110 0110 0000 0000 0000 0000 表示為十六進制的代碼：表示為十六進制的代碼：41E60000H。X = (-1)s(1.M)2E-127e = E-127 S E M31 30 23 22 0P47:21(1),把IEEE浮點數(shù)C0E00000H轉(zhuǎn)換成為十進制數(shù) 十六進制十六進制二進制形式，并分離出符號位、階碼和尾數(shù)。二進制形式，并分離出符號位、階碼和尾數(shù)。 C0E00000H= 11000000;1 1

8、1100000000000000000000 計算出階碼真值（移碼偏置值）計算出階碼真值（移碼偏置值） 10000001-01111111=10 尾數(shù)的尾數(shù)的二進制數(shù)形式二進制數(shù)形式 -0. 11100000000000000000000 寫成浮點數(shù)形式寫成浮點數(shù)形式 -01. 111210 轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，并加上符號位。轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)，并加上符號位。 (-111.1)2=(-7.5)10 所以，該浮點數(shù)所以，該浮點數(shù) = -7.5D階階碼（移碼）碼（移碼）符號位符號位尾數(shù)尾數(shù)(原碼原碼)X = (-1)s(1.M)2E-127e = E-127浮點數(shù)的比較float a=7.12345678

9、9;float b=7.123456785;cout? “not samen” : “samen”;float c=1.0/3.0;double d=1.0/3.0;coutc!=d ? “not samen” : “samen”;浮點數(shù)由于表示精度在不同浮點類型中的差異，所以會被誤用。由于由于float的有效位數(shù)為的有效位數(shù)為7位，所以，位，所以，a,b因精度有因精度有限而不能分辨其差異限而不能分辨其差異。浮點數(shù)的比較double e=123456789.9*9;double f=1111111109.1;cout(e=f ? samen : not samen);cout(abs(e-f)

10、1e-05 ? samen : not samen);cout.precision(7);coutfixedeendlfendl;浮點數(shù)在計算機內(nèi)實際上是一個近似表示，第3章 指令系統(tǒng)3.1 指令格式3.2 尋址技術(shù)3.3 堆棧與堆棧操作3.4 指令類型3.5 指令系統(tǒng)的發(fā)展3.4 指令的類型n數(shù)據(jù)傳送類指令n一般傳送，堆棧操作，數(shù)據(jù)交換指令一般傳送，堆棧操作，數(shù)據(jù)交換指令n運算類指令n算術(shù)運算，邏輯運算，移位指令算術(shù)運算，邏輯運算，移位指令n程序控制類指令n轉(zhuǎn)移，子程序調(diào)用，返回指令轉(zhuǎn)移，子程序調(diào)用，返回指令nI/O類指令n其他指令指令系統(tǒng)舉例PDP-11指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)PDP-11是一個具

11、有是一個具有8個寄存器個寄存器(R0 R7)、16位字長的小型計位字長的小型計算機。其中，算機。其中，R0 R5為通用寄存器，為通用寄存器，R7是程序計數(shù)器是程序計數(shù)器PC，R6是棧指針是棧指針SP。指令系統(tǒng)舉例8086/8088指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)n Intel 8086指令系統(tǒng)共有117條基本指令，n 每條指令長度16B不等n 有6類指令 數(shù)據(jù)傳送類指令數(shù)據(jù)傳送類指令 算術(shù)運算類指令算術(shù)運算類指令 位操作類指令位操作類指令 串操作類指令串操作類指令 控制轉(zhuǎn)移類指令控制轉(zhuǎn)移類指令 處理機控制類指令處理機控制類指令n 有10種尋址方式 立即尋址立即尋址 直接尋址直接尋址 寄存器尋址寄存器尋址 寄存

12、器間接尋址寄存器間接尋址 變址尋址變址尋址 基址尋址基址尋址 相對變址尋址相對變址尋址 相對基址尋址相對基址尋址 基址變址尋址基址變址尋址 相對基址變址尋址相對基址變址尋址指令系統(tǒng)舉例8086/8088指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)OPOPMODOPDATA/DISP8OPMODOPDATA16 / DISP16OPMODOPMODOPMODOPMODOPOPMODDATA/DISP8DATA8DISP8DATA16 / DISP16DISP16DATA8DISP8DATA16DATA16SEG16DATA16DISP163.5 指令系統(tǒng)的發(fā)展n 不同類型的計算機有各具特色的指令系統(tǒng)，由于計算機的性能、機器

13、結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境不同，指令系統(tǒng)的差異也是很大的。nx86架構(gòu)的擴展指令集n目前主流目前主流微機微機均均用用基于基于x86架構(gòu)架構(gòu)的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)n為了為了提升處理器各方面的性能，提升處理器各方面的性能，Intel和和AMD公司又各自開發(fā)了一些新的擴展指令集公司又各自開發(fā)了一些新的擴展指令集。MMXSSE3DNow SSE2 SSEn n擴展擴展指令集中包含了處理器對指令集中包含了處理器對多媒體、多媒體、3D處處理理等方面的支持，能夠提高處理器對這些方等方面的支持，能夠提高處理器對這些方面處理的能力面處理的能力。3.5.2從復(fù)雜指令系統(tǒng)到精簡指令系統(tǒng)nCISCComplex Instructi

14、on Set Computern復(fù)雜指令集計算機復(fù)雜指令集計算機n傳統(tǒng)計算機的設(shè)計思想n隨著系列機的問世，指令系統(tǒng)的條數(shù)越來越多隨著系列機的問世，指令系統(tǒng)的條數(shù)越來越多n體現(xiàn)了體現(xiàn)了計算機性能越高，其指令系統(tǒng)越復(fù)雜的計算機性能越高，其指令系統(tǒng)越復(fù)雜的傳統(tǒng)設(shè)計思想。傳統(tǒng)設(shè)計思想。n這類計算機稱為這類計算機稱為“復(fù)雜指令集計算機復(fù)雜指令集計算機”CISCn使指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜的出發(fā)點n給高級語言提供更好的支持給高級語言提供更好的支持n使目標程序得到優(yōu)化使目標程序得到優(yōu)化n提供對操作系統(tǒng)的支持提供對操作系統(tǒng)的支持CISC的問題nCISC引起的問題引起的問題n龐大的指令集龐大的指令集n紛繁復(fù)雜的尋址模

15、式紛繁復(fù)雜的尋址模式n硬件實現(xiàn)復(fù)雜（硬件實現(xiàn)復(fù)雜（硬件資源的利用率低硬件資源的利用率低）n CISC造成的后果造成的后果n機器開發(fā)成本高機器開發(fā)成本高n結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)雜n速度慢速度慢RISC的提出n 1975年年HP公司對公司對IBM370計算機的高級語言所作計算機的高級語言所作的運行統(tǒng)計，分析表明的運行統(tǒng)計，分析表明“20-80定律定律” 能否用 20% 的簡單指令組合不常用的80% 的指令功能？n 1975年提出“精簡指令集計算機”，簡稱RISC（Reduced Instruction Set Computer）。）。 占指令占指令系統(tǒng)系統(tǒng)在程序中出現(xiàn)在程序中出現(xiàn)的頻率的頻率備注備注 常用

16、常用 指令指令20%80%傳送、轉(zhuǎn)移、測試、傳送、轉(zhuǎn)移、測試、比較，比較，1指令等指令等不常用不常用指令指令80%20%其他其他RISC的特點nRISC計算機的特點n減小代碼空間減小代碼空間n但不是簡單地簡化指令系統(tǒng)，而是通過簡化指令但不是簡單地簡化指令系統(tǒng)，而是通過簡化指令使計使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高機器的性能。從而提高機器的性能。nRISC的主要特征n選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少；選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少；n每周期執(zhí)行一條指令每周期執(zhí)行一條指令n只有只有取數(shù)存數(shù)指令取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作為訪問存儲器，其余指

17、令的操作為寄存器寄存器寄存器寄存器操作操作n簡單的尋址方式簡單的尋址方式n簡單的指令格式：簡單的指令格式：長度固定，格式種類少長度固定，格式種類少RISC指令系統(tǒng)舉例SPARC32nSPARC32為SUN公司生產(chǎn)的32位RISC處理器n共共89條指令，分為條指令，分為6大類大類n算邏運算、取數(shù)算邏運算、取數(shù)/存數(shù)、控制轉(zhuǎn)移、存數(shù)、控制轉(zhuǎn)移、R/W專用寄存器、專用寄存器、浮點運算、協(xié)處理器指令。浮點運算、協(xié)處理器指令。n共有共有4種尋址方式種尋址方式n立即尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、自相對立即尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、自相對尋址。尋址。n共有三種指令格式共有三種指令格式n調(diào)用子程序指令，轉(zhuǎn)移類指令和其他指令調(diào)用子程序指令，轉(zhuǎn)移類指令和其他指令RISC指令系統(tǒng)舉例SPARCOPDISP 2 30OP1ROP2Imm 2 5 3 22OP1aCondOP2DISP 2 1 4 3 22 OP1ROP3Rs1iAs1 As2 2 5 6 5 1 8 5OP1ROP3Rs1iSmm 2 5 6 5 1 13OP1ROP3Rs1 OPfAs2 2 5 6 5 8 5 子程序調(diào)用指令子程序調(diào)用指令轉(zhuǎn)移類指令轉(zhuǎn)移類指令其他指令其他指令RISC指令系統(tǒng)舉例SPARC32精簡后，部分原指令的替代實現(xiàn)指令指令功能功能替代指令替代指令實現(xiàn)