計算機系統(tǒng)結構隨書ppt 清華大學出本社

1、1第二章指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)結構的主要組成部分指令系統(tǒng)是軟件與硬件分界面的一個主要標志指令系統(tǒng)是軟件與硬件之間互相溝通的橋梁指令系統(tǒng)與軟件之間的語義差距越來越大2第二章指令系統(tǒng)2.1 數(shù)據(jù)表示2.2 尋址技術2.3 指令格式的優(yōu)化設計2.4 指令系統(tǒng)的功能設計2.5 RISC指令系統(tǒng)32.1 數(shù)據(jù)表示新的研究成果，如浮點數(shù)基值的選擇方法新的數(shù)據(jù)表示方法，如自定義數(shù)據(jù)表示2.1.1 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型2.1.2 浮點數(shù)的設計方法2.1.3 自定義數(shù)據(jù)表示42.1.1 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)表示的定義：數(shù)據(jù)表示是指計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。定點、邏輯、浮

2、點、十進制、字符、字符串、堆棧和向量數(shù)據(jù)類型：文件、圖、表、樹、陣列、隊列、鏈表、棧、向量、串、實數(shù)、整數(shù)、布爾數(shù)、字符等。確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問題。5確定數(shù)據(jù)表示的原則：1.縮短程序的運行時間2.減少CPU與主存儲器之間的通信量3.這種數(shù)據(jù)表示的通用性和利用率數(shù)據(jù)表示在不斷發(fā)展如：矩陣、樹、圖、表及自定義數(shù)據(jù)表示等6例2.1：實現(xiàn)AAB，A和B均為200200的矩陣，分析向量數(shù)據(jù)表示的作用解：如果在沒有向量數(shù)據(jù)表示的計算機系統(tǒng)上實現(xiàn)，一般需要6條指令，其中有4條指令要循環(huán)4萬次。因此，CPU與主存儲器之間的通信量：取指令2440,000條，讀或寫數(shù)據(jù)340,00

3、0個，共要訪問主存儲器740,000次以上。7如果有向量數(shù)據(jù)表示，只需要一條指令。減少訪問主存（取指令）次數(shù)：440,000次縮短程序執(zhí)行時間一倍以上。數(shù)據(jù)表示在不斷擴大，如字符串、向量、堆棧、圖、表用軟件和硬件相結合的方法實現(xiàn)新的數(shù)據(jù)表示；例如：用字節(jié)編址和字節(jié)運算指令（相對于字編址和字運算）來支持字符串數(shù)據(jù)表示；用變址尋址方式來支持向量數(shù)據(jù)表示等82.1.2 浮點數(shù)的設計方法定點的問題：范圍小、存儲利用率小、乘除編程難1、浮點數(shù)的表示方式一個浮點數(shù)N可以用如下方式表示：需要有6個參數(shù)來定義。兩個數(shù)值：m：尾數(shù)的值，包括尾數(shù)的碼制(原碼或補碼)和數(shù)制(小數(shù)或整數(shù)）e：階碼的值，移碼(偏碼、增

4、碼、余碼等)或補碼，整數(shù)remmN9兩個基值：rm：尾數(shù)的基值，2進制、4進制、8進制、16進制和10進制等re：階碼的基值，通常為2兩個字長：p：尾數(shù)長度，當rm 16時，每4個二進制位表示一位尾數(shù)q：階碼長度，階碼部分的二進制位數(shù)p和q均不包括符號位浮點數(shù)的存儲式注：mf為尾數(shù)的符號位，ef為階碼的符號位，e為階碼的值，m為尾數(shù)的值。1位1位q位p位mfefem102、浮點數(shù)的表數(shù)范圍尾數(shù)為原碼、小數(shù)，階碼用移碼、整數(shù)時，規(guī)格化浮點數(shù)N的表數(shù)范圍：111rrrrmmpmmqeqerrN()尾數(shù)為補碼，而負數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍為：浮點數(shù)在數(shù)軸上的分布情況 qeqerrrrrrmmpmmN 11(

5、)上溢上溢下溢（浮點零）NminNmax-NmaxNmin0負數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)11尾數(shù)的規(guī)格化和表數(shù)范圍尾數(shù)補碼表示時的規(guī)格化：正尾數(shù) 負尾數(shù)正： 負：00 0 0 1x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x11 1 10 x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x111rrrrmmpmmqeqerrN()qeqerrrrrrmmpmmN 11()0 最小 0001，最大 1111E 最小 0000，最大 1110Floating-point RepresentationIEEE 754 Standard1、指數(shù)0，尾數(shù)0，表

6、示正0和負0；2、指數(shù)0，尾數(shù)非零，表示：N=(-1)s*(0.m)*2-127；3、指數(shù)255，尾數(shù)0，表示+和-4、指數(shù)255，尾數(shù)非零，表示NANFloating-point AdditionFloating-point Multiplication16例2.1： p23，q7，rmre2，尾數(shù)用原碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示，求規(guī)格化浮點數(shù)N的表數(shù)范圍。解：規(guī)格化浮點數(shù)N的表數(shù)范圍是：原公式：1227722321122N()即：129231272122N()111rrrrmmpmmqeqerrN()17例2.2：尾數(shù)用補碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示，p6，q6，rm16，r

7、e2，求規(guī)格化浮點數(shù)N表數(shù)范圍解：規(guī)格化浮點數(shù)N在正數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是：原公式：在負數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是：原公式：63664161611616 N()16)161 (1663665NqeqerrrrrrmmpmmN 11()111rrrrmmpmmqeqerrN()183、浮點數(shù)格式的設計定義浮點數(shù)表示方式的6個參數(shù)的確定原則：尾數(shù)：多數(shù)機器采用原碼、小數(shù)表示。采用原碼制表示：加減法比補碼表示復雜，乘除法比補碼簡單，表示非常直觀。采用小數(shù)表示能簡化運算，特別是乘除法運算。階碼：一般機器都采用整數(shù)、移碼表示。采用移碼表示的主要原因是：浮點0與機器0一致。階碼進行加減運算時，移碼的加減法運算要比補碼

8、復雜19尾數(shù)的基值rm選擇2，階碼的基值re取2，浮點數(shù)格式設計的關鍵問題是：在表數(shù)范圍和表數(shù)精度給定的情況下，如何確定最短的尾數(shù)字長p和階碼字長q例2.4：要求設計一種浮點數(shù)格式，其表數(shù)范圍不小于1037，正、負數(shù)對稱，表數(shù)精度不低于10-16。解：根據(jù)表數(shù)范圍的要求：解這個不等式：1023712q95. 62log) 12log/10log(log37q20取階碼字長q7根據(jù)表數(shù)精度的要求，得到：解這個不等式：由于浮點數(shù)的字長通常為8的倍數(shù)，因此，取尾數(shù)字長p55，總的字長為1+1+7+55 = 64，浮點數(shù)格式如下：1022116) 1P（2 .532log10log16p1位1位7位5

9、5位mfefem212.1.3 自定義數(shù)據(jù)表示一般處理機中的數(shù)據(jù)表示方法數(shù)據(jù)存儲單元(寄存器、主存儲器、外存儲器等)只存放純數(shù)據(jù)通過指令中的操作碼來解釋：數(shù)據(jù)的類型（定點、浮點、字符、字符串、邏輯數(shù)、向量等）進位制（2進制、10進制、16進制等） 數(shù)據(jù)字長（字、半字、雙字、字節(jié)等）尋址方式（直接尋址、間接尋址、相對尋址、寄存器尋址等）22數(shù)據(jù)的功能（地址、數(shù)值、控制字、標志等）等同一種操作（如加法）有很多條指令在高級語言和應用軟件中，數(shù)據(jù)的屬性由數(shù)據(jù)自己定義。在高級語言與機器語言之間的語義差距，要靠編譯器等填補60年代開始，Burroughs公司在大型計算機中引入自定義數(shù)據(jù)表示方式和帶標志符的

10、數(shù)據(jù)表示方式231、帶標志符的數(shù)據(jù)表示法在B5000大型機中，每個數(shù)據(jù)有一位標志符；在B6500和B7500大型機中，每個數(shù)據(jù)有三位標志符；在R-2巨型機中采用10位標志符帶有標志符的數(shù)據(jù)表示方式標志符數(shù)值24R-2巨型機中的標志符功能位：操作數(shù)、指令、地址、控制字陷井位：由軟件定義四種捕捉方式封寫位：指定數(shù)據(jù)是只讀的還是可讀可寫類型位：二進制,十進制,定點數(shù),浮點數(shù),復數(shù),字符串,單精度,雙精度等絕對地址、相對地址、變址地址、未連接的地址等在R2巨型機中帶標志符的數(shù)據(jù)表示方法功能數(shù)值陷井 封寫 類型 校驗2位 2位 1位 4位 1位10位標志符25標志符由編譯器或其它系統(tǒng)軟件建立，建立過程對

11、程序員透明程序（包括指令和數(shù)據(jù)）的存儲量分析程序（包括指令和數(shù)據(jù)）的存儲量分析例2.5：假設X處理機的數(shù)據(jù)不帶標志符，其指令字長和數(shù)據(jù)字長均為32位；Y處理機的數(shù)據(jù)帶標志符，數(shù)據(jù)字長增加至35位，其中3位是標志符，其指令字長由32位減少至30位。并假設一條指令平均訪問兩個操作數(shù)，每個操作數(shù)平均被訪問R次。分別計算這兩種不同類型的處理機中程序所占用的存儲空間。26解：X、Y處理機程序占用的存儲空間總和分別為：程序占用存儲空間的比值：當R3時，有 BY/BX 1。在實際應用中經(jīng)常是R10，即帶標志符的處理機所占用的存儲空間通常要小。RIIBX32232RIIBY352303216351532232

12、35230RRRIIRIIBBXY27例如：在IBM 370系列機中執(zhí)行AAB運算，若A、B都是十進制數(shù)，只需要一條指令，共6個字節(jié)，在 IBM 370/145機上的執(zhí)行時間是13微秒。數(shù)據(jù)字長加長數(shù)據(jù)指令指令字長縮短采用標志符的指令字長標志符長度不采用標志符的指令和數(shù)據(jù)字長采用標志符的數(shù)據(jù)長度28若A與B中有一個是定點二進制數(shù)，由于要進行數(shù)據(jù)類型的一致性檢查和轉換，在PL/I語言中的編譯結果為13條指令，共64個字節(jié)，在IBM 370/145機上的執(zhí)行時間增加到408微秒。兩者相比，存儲空間節(jié)省5倍，運算速度快30多倍。 但若采用標志符數(shù)據(jù)表示法,只要在CM中增加一小段微程序.29采用標志符

13、數(shù)據(jù)表示方法的主要優(yōu)點：(1) 簡化了指令系統(tǒng)。(2) 由硬件自動實現(xiàn)一致性檢查和數(shù)據(jù)類型的轉換。(3) 簡化程序設計，縮小了人與機器之間的語義差距。(4) 簡化編譯器，使高級語言與機器語言之間的語義差距大大縮短。(5) 支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，一個軟件不加修改就可適用于多種數(shù)據(jù)類型。(6) 方便軟件調(diào)試，在每個數(shù)據(jù)中都有陷井位。30采用標志符數(shù)據(jù)表示方法的主要缺點：(1) 數(shù)據(jù)和指令的長度可能不一致。(2) 指令的執(zhí)行速度降低。但程序的設計時間、編譯時間和調(diào)試時間縮短。(3) 硬件復雜度增加。2、數(shù)據(jù)描述符表示法數(shù)據(jù)描述符與標志符的區(qū)別：標志符只作用于一個數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)描述符要作用于一組數(shù)據(jù)。Burr

14、oughs公司生產(chǎn)的B-6700機中采用的數(shù)據(jù)描述符表示方法：31最高三位為101時表示數(shù)據(jù)描述符最高三位為000時表示數(shù)據(jù)例如：用數(shù)據(jù)描述符表示方法表示一個34矩陣A數(shù)據(jù)描述符101地址標志位長度數(shù)據(jù)000數(shù)值343332312423222114131211aaaaaaaaaaaaA32101 標志3101 標志4101 標志4101 標志4000a11000a12000a13000a14000a21000a22000a23000a24000a31000a32000a33000a34OPCXY33第二章指令系統(tǒng)2.1 數(shù)據(jù)表示2.2 尋址技術2.3 指令格式的優(yōu)化設計2.4 指令系統(tǒng)的功能設

15、計2.5 RISC指令系統(tǒng)342.2 尋址技術尋找操作數(shù)及其他信息的地址的技術稱為尋址技術內(nèi)容：編址方式、尋址方式和定位方式對象：寄存器、主存儲器、堆棧和輸入輸出設備方法：分析各種尋址技術的優(yōu)缺點，如何選擇和確定尋址技術2.2.1 編址方式2.2.2 尋址方式2.2.3 定位方式重點是尋址方式的選擇方法352.2.1 編址方式編址方式是指對各種存儲設備進行編碼的方法。主要內(nèi)容：編址單位、零地址空間個數(shù)、并行存儲器的編址技術、輸入輸出設備的編址技術等。1、編址單位常用的編址單位：字編址、字節(jié)編址、位編址、塊編址等36編址單位與訪問字長一般：字節(jié)編址，字訪問部分機器：位編址，字訪問輔助存儲器：塊編

16、址字節(jié)編址字訪問的優(yōu)缺點有利于信息處理地址信息浪費、存儲器空間浪費問題讀寫邏輯稍復雜0字節(jié)位置引起的問題 字節(jié)編址，字訪問的各種形式：373839一個存儲字中字節(jié)如何編碼的問題12345678H變成78563412Hcomputer變成pmocretu2、零地址空間個數(shù) 三個零地址空間：通用寄存器、主存儲器和輸入輸出設備均獨立編址40兩個零地址空間：主存儲器與輸入輸出設備統(tǒng)一編址一個零地址空間：所有存儲設備統(tǒng)一編址，最低端是通用寄存器，最高端是輸入輸出設備，中間為主存儲器隱含編址方式，實際上沒有零地址空間：堆棧、Cache等3、輸入輸出設備的編址一臺設備一個地址一臺設備兩個地址：數(shù)據(jù)寄存器、狀

17、態(tài)或控制寄存器41多個需要編址的寄存器共用同一個地址的方法：依靠地址內(nèi)部來區(qū)分，適用于被編址的接口寄存器的長度比較短。“下跟法”隱含編址方式，必須按順序讀寫寄存器。一臺設備多個地址。對編程增加困難4、 并行存儲器的編址技術高位交叉編址主要目的是用來擴大存儲器容量。低位交叉編址主要目的是提高存儲器速度。42432.2.2 尋址方式尋址方式：尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法。主要內(nèi)容：設計思想和設計方法1、尋址方式的設計思想立即數(shù)尋址方式用于數(shù)據(jù)比較短、源操作數(shù)面向寄存器的尋址方式OPCROPCR,ROPCR,R,R44OPCR,M面向主存儲器的尋址方式：OPCMOPCM,MOPCM,M, M面向堆

18、棧的尋址方式：OPCOPCM2、間接尋址方式與變址尋址方式的比較目的相同：都是為了解決操作數(shù)地址的修改問題45都能做到不改變程序而修改操作數(shù)地址原則上，一種處理機中只需設置間址尋址方式與變址尋址方式中的任何一種即可，有些處理機兩種尋址方式都設置如何選取間址尋址方式與變址尋址方式？優(yōu)缺點怎樣？例2.7：一個由N個元素組成的數(shù)組，已經(jīng)存放在起始地址為AS的主存連續(xù)單元中，現(xiàn)要把它搬到起始地址為AD的主存連續(xù)單元中。不必考慮可能出現(xiàn)的存儲單元的重疊問題。為了編程簡單，采用一般的兩地址指令編寫程序。46解：用間接尋址方式編寫程序如下：start:moveasr, asi;保存源數(shù)組的起始地址movea

19、dr, adi;保存目標數(shù)組起始地址movenum, cnt;保存數(shù)據(jù)的個數(shù)loop:moveasi, adi ;用間址尋址方式傳送數(shù)據(jù)incasi;源數(shù)組的地址增量incadi;目標數(shù)組的地址增量deccnt;個數(shù)減1bgtloop;測試n個數(shù)據(jù)是否傳送完halt;停機asr:as;源數(shù)組的起始地址adr:ad;目標數(shù)組的起始地址num:n;需要傳送的數(shù)據(jù)個數(shù)asi:0;當前正在傳送的源數(shù)組地址adi:0;當前正在傳送的源數(shù)組地址cnt:0;剩余數(shù)據(jù)的個數(shù)47用變址尋址方式編寫程序如下：start: move as, x;源數(shù)組起址送變址寄存器move num, cnt;保存數(shù)據(jù)個數(shù)，保證再入性loop:move (x), ad-as(x);ad-as為地址偏移量，在匯編時計算incx;增量變址寄存器deccnt;個數(shù)減1bgtloop;測試n個數(shù)據(jù)是否傳送完成halt;停機num:n;需要傳送的數(shù)據(jù)個數(shù)cnt:0;剩余數(shù)據(jù)的個數(shù)