計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.1數(shù)據(jù)表示

2.1.1數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

定義:數(shù)據(jù)表示指的是機(jī)器硬件直接識(shí)別和引用的

數(shù)據(jù)類型.

1.種類:定點(diǎn)浮點(diǎn)邏輯二-十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示

2.數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

二者關(guān)系：數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成元素

相互影響：數(shù)據(jù)表示為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)提供支持

數(shù)據(jù)表示的實(shí)質(zhì)：軟硬件界面

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.1.1數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.數(shù)據(jù)表示的發(fā)展

定點(diǎn)浮點(diǎn)邏輯二-十進(jìn)制數(shù)據(jù)表示

變址操作:為向量和陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供

直接支持

可變長(zhǎng)字符串

增加數(shù)據(jù)表示應(yīng)注意的問(wèn)題

術(shù)語(yǔ)：程序的可再入性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.1.2高級(jí)數(shù)據(jù)表示

1.自定義數(shù)據(jù)表示

種類：帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)描述符

(1)帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示

?高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器的語(yǔ)義差距分析

?標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示的引入與建立

類型標(biāo)志數(shù)據(jù)值

?舉例：BurroughsB5000B6500B7500R-2

1位3位10位

透明性:對(duì)于高級(jí)語(yǔ)言程序透明，由編譯程序建立

標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示的優(yōu)點(diǎn)

?簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)

?簡(jiǎn)化編譯程序

?便于實(shí)現(xiàn)一致性校驗(yàn)

?可由硬件自動(dòng)完成數(shù)據(jù)類型的變換

?支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無(wú)關(guān)的要求

?為軟件調(diào)試和應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)提供了支持

采用標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示可能產(chǎn)生的問(wèn)題

?由于數(shù)據(jù)字增加了標(biāo)志符，程序占用主存空

間可能增加

?采用標(biāo)志符會(huì)降低指令的執(zhí)行速度

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2.1.2高級(jí)數(shù)據(jù)表示

1.自定義數(shù)據(jù)表示

(2)數(shù)據(jù)描述符

?必要性:向量數(shù)組的特性

?數(shù)據(jù)描述符的實(shí)現(xiàn)方式:B6700的實(shí)現(xiàn)

101各種標(biāo)志符長(zhǎng)度地址

000數(shù)據(jù)

?讀取操作數(shù)的過(guò)程

?多維數(shù)組的描述方法

?好處：比變址方法實(shí)現(xiàn)方便，便于越界檢查

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2.1.2高級(jí)數(shù)據(jù)表示

2.向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示

傳統(tǒng)的向量數(shù)組的處理方法（舉例）

串行的循環(huán)方式及問(wèn)題

向量指令格式：

向量加A向量參數(shù)B向量參數(shù)C向量參數(shù)

向量編址的參數(shù)：向量長(zhǎng)度基地址

起始地址向量有效長(zhǎng)度位移量

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.1.2高級(jí)數(shù)據(jù)表示

2.向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示

優(yōu)點(diǎn)：

?快速形成元素地址，成塊元素預(yù)取

?一條指令可以處理整個(gè)向量、數(shù)組

?可以實(shí)現(xiàn)越界檢查

?高速高效

?方便處理稀疏矩陣

?編譯程序簡(jiǎn)單

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2.1.2高級(jí)數(shù)據(jù)表示

3.堆棧數(shù)據(jù)表示

堆棧機(jī)器：具有堆棧數(shù)據(jù)表示的機(jī)器叫堆棧

機(jī)器。

堆棧的作用：

?快速訪問(wèn)堆棧

?直接進(jìn)行各種運(yùn)算和處理

?高級(jí)語(yǔ)言的編譯（逆波蘭表達(dá)式）

-子程序的嵌套和遞歸調(diào)用

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2.1.3引入數(shù)據(jù)表示的原則

一維線性存儲(chǔ)器的局限性

引入數(shù)據(jù)表示的原則

1.系統(tǒng)效率是否提高

舉例:PL/1實(shí)現(xiàn)A=A+B的計(jì)算的兩種情況

2.通用性和利用率

基本數(shù)據(jù)表示的問(wèn)題舉例：二-十進(jìn)制數(shù)

定長(zhǎng)字表示定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的問(wèn)題

結(jié)論(P50)

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2.2尋址方式

尋址方式：指令尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的方式

2.2.1尋址方式分析

1.主存、寄存器和堆棧的編址方式

?統(tǒng)一編址方式:無(wú)單獨(dú)的I/O指令

?獨(dú)立編址方式:存儲(chǔ)空間大，需要專門的指令

2.面向主存、寄存器和堆棧的尋址方式

?面向寄存器

面向堆棧

?面向主存

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2.2.1尋址方式分析

3.尋址方式在指令中的指明方式

?占用操作碼：操作碼的若干位DJS-200

?不占用操作碼：設(shè)置尋址方式字段

2.2.2邏輯地址與主存物理地址

1.邏輯地址（主存）物理地址邏輯地址空間

物理地址空間名稱空間程序可再入性

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

邏輯地址：程序員編寫(xiě)程序時(shí)使用的地址

主存物理地址：程序在主存中的實(shí)際地址

邏輯地址空間：由全部邏輯地址構(gòu)成

物理地址空間：全部主存實(shí)地址構(gòu)成

名稱空間：匯編源程序等使用的符號(hào)、標(biāo)號(hào)的

名稱總稱

程序可再入性

第2章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.2.2邏輯地址與主存物理地址

2.邏輯地址空間到主存物理地址空間的轉(zhuǎn)換

?舉例轉(zhuǎn)換:直接尋址、間接尋址、變址尋址

不轉(zhuǎn)換:立即尋址（直接操作數(shù)）、相對(duì)尋址

?程序再定位技術(shù)

靜態(tài)再定位

動(dòng)態(tài)再定位

A道程序的邏輯地址空間

A道程序

的物理

地址空間

圖2.11邏輯地址空間到物理地址空間的變換

3.程序再定位技術(shù)

(1)靜態(tài)再定位

定義：程序在執(zhí)行過(guò)程中物理地址不發(fā)生變化

的定在技術(shù)

實(shí)現(xiàn)：由軟件在程序運(yùn)行前把邏輯地址變換成

物理地址

問(wèn)題：破壞程序可再入性為

對(duì)相違背I―

(2)動(dòng)態(tài)再定位

定義：在執(zhí)行每條指令時(shí)才形成訪存物理地址

的方法叫做動(dòng)態(tài)再定位。

實(shí)現(xiàn)：通過(guò)基址尋址方式進(jìn)行(硬件實(shí)現(xiàn))e

物理（有效）地址

圖2.12基址尋址

VonNeumann型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

?機(jī)器以運(yùn)算器為中心

?采用存儲(chǔ)程序原理，數(shù)據(jù)和指令同等對(duì)待，程

序執(zhí)行過(guò)程可以修改

?存儲(chǔ)器按地址訪問(wèn)，其為順序、線性一維空間

?程序按執(zhí)行順序存儲(chǔ)，PC指明要執(zhí)行的指令

在存儲(chǔ)器的地址

?指令由操作碼和地址碼構(gòu)成

?數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼，采用二進(jìn)制運(yùn)算

?軟件與硬件完全分開(kāi)

(2)動(dòng)態(tài)再定位

地址加界方法的實(shí)現(xiàn)與作用

程序基點(diǎn)的確定:0為基點(diǎn)

基址方法和變址方法的比較

物理地址空間的信息分布

IBM370的信息及分布情況

按整數(shù)邊界存儲(chǔ)的方法

卜--------主存寬度---------T

圖2.13各種寬度信息的存貯

2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與修改

2.3.1指令格式的優(yōu)化

1.幾個(gè)術(shù)語(yǔ)X.

指令格式的優(yōu)化：用最短的位數(shù)來(lái)表示指令的

操作信息和地址信息.

指令的組成:操作碼和地址碼兩部分

Huffman壓縮概念：當(dāng)各種事件發(fā)生的概率不均

等時(shí),采用的優(yōu)化技術(shù)對(duì)發(fā)生概率最高的事

件用最短位數(shù)來(lái)表示,對(duì)發(fā)生概率較低的事

件用較長(zhǎng)的位數(shù)來(lái)表示,就會(huì)導(dǎo)致表示的平

均位數(shù)的縮短.

表2.5某模型機(jī)指令使用頻度舉例

指令使用頻度(2)指令使用頻度(戶，

110.400.04

I,0.300.03

.h1

0.150.03'

140.051

2.3.1指令格式的優(yōu)化

2.指令操作碼的優(yōu)化表示

□重要公式

平均信息源嫡：H=-Spilog2pi

平均編碼長(zhǎng)度

信息冗余量=（操作碼實(shí)際平均長(zhǎng)度-H）/操作碼實(shí)際平均長(zhǎng)度

□Huffman編碼方法

Huffman樹(shù)方法:舉例

Huffman樹(shù)方法的問(wèn)題及解決思路

圖2.14哈夫曼樹(shù)舉例

表2.6操作碼的哈夫曼編碼及擴(kuò)展探作碼編碼

頻度

操作碼。P使用op長(zhǎng)度利用哈夫曼概念的op長(zhǎng)度

（A）哈夫曼編碼擴(kuò)展操作碼4

0.40

01002

0.30

10■2012

[0.15110.311o,2

0.05

11100511004

0.04

11101511014

0.03

11110511104

0.03

111111511114

2.3.1指令格式的優(yōu)化

2.指令操作碼的優(yōu)化表示

□擴(kuò)展操作碼法

舉例

B1700計(jì)算機(jī)的指令操作碼分析

表2.7B—1700操作碼編碼方式比較

整個(gè)操作系統(tǒng)所用改進(jìn)百分比

編碼方式

指令的操作碼總位數(shù)(%)

定長(zhǎng)8位301248位0

4—6—10位184966位39

哈夫曼法172346位43

等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼法:操作碼每次擴(kuò)展位數(shù)相同

例如：4-8-12位15/15/158/64/512

3.指令字格式的優(yōu)化

?任意長(zhǎng)度指令字在主存中的存儲(chǔ)狀況

?等長(zhǎng)單地址碼的問(wèn)題

?定長(zhǎng)指令多地址制格式

固定長(zhǎng)度的多地址

同一地址制下的多種形式和長(zhǎng)度

一廠主存寬度-「一

["1I"21k

A+4.]一上+^---------------定長(zhǎng)指令字長(zhǎng)度。

6_]k+7：[B+'空白浪費(fèi)地址碼

-RoIt+l]-hni?空白浪費(fèi)地址碼

[七;131ILai地址碼

*+15J

，任意長(zhǎng)指令字在按位編址圖2.17等長(zhǎng)地址碼發(fā)揮不出操作碼

主存中存貯的情況優(yōu)化表示的作用

----------定長(zhǎng)指令字（16）

?4位一廣4位.L4位■—4位一奇存器一寄存器型操作碼RR

二地址制操作碼地址碼地址碼

寄存器一存貯器型操作碼訪存地址SR

三地址制操作碼地址碼地址碼地址碼

帶亙接操作數(shù)操作碼直接操作數(shù)RR

一地址制操作碼地址碼

圖2.M在定氏指令字內(nèi)實(shí)現(xiàn)多種地址制圖2.19同種地址制下的多種地址

題才和K南

3.指令字格式的優(yōu)化

?IBM370的地址碼編碼方式

RR格式:寄存器-寄存器型指令(16)

RX格式:寄存器-變址型指令(32)

RS格式:寄存器-主存型指令(32)

SI格式:主存-立即數(shù)型指令(32)

SS格式:主存-主存型指令(48)

2.3.2按CISC方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

方法分類：CISC(ComplexInstructionSetComputer)

RISC(ReducedInstructionSetComputer)

1.面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)

?根據(jù)指令的使用頻度分析改進(jìn)

靜態(tài)使用頻度:對(duì)程序中出現(xiàn)的各種指令及指令

串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的百分比.

按靜態(tài)使用頻度改進(jìn)指令系統(tǒng)的目的是減少目

標(biāo)程序所占存儲(chǔ)空間.

2.3.2按CISC方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

1.面向目標(biāo)程序的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)

動(dòng)態(tài)使用頻度:對(duì)目標(biāo)程序執(zhí)行過(guò)程中對(duì)出現(xiàn)的

各種指令及指令串進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的百分比.

按動(dòng)態(tài)使用頻度改進(jìn)指令系統(tǒng)的目的是減少目

標(biāo)程序的執(zhí)行時(shí)間.

表2.8IBM36。指令的動(dòng)、靜態(tài)使用頻度

..指令類型例態(tài)使用頻度％動(dòng)態(tài)使用頻度%

\???r???.'??',

L（取〉2'627.3-

STC存）--；.15.09.8

BCC條件轉(zhuǎn)移）10.0-13.7

LA（取地址）7.0I,6.3

SRC減）'5.84.5

A（加）3.7

C（比較）?2

SLL（邏軌左移）3.6

BALRg移與鏤接）5.3

1C（照入字符）3,2_2______:

5?8

IBM370的改進(jìn):成組傳送指令增量指令

?以復(fù)合指令取代常用宏指令或子程序

IBM370翻譯指令:用于編碼的變換

EBCDIC到ASCII的變換

EBCDIC(ExtendedBinary-CodedDecimal

InterchangeCode)擴(kuò)展的二b進(jìn)制交換碼

替代原則

軟件兼容

機(jī)器速度瓶頸的解決

非功能型指令比例的減少與功能指令型比例的增加.

2.3.2按CISC方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

2.面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)

改進(jìn)目標(biāo):縮小高級(jí)語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)義差距,

以支持編譯系統(tǒng)

?根據(jù)語(yǔ)句的使用頻度進(jìn)行改進(jìn)

FORTRAN(FORmulaTRANslator)與COBOL

使用頻度統(tǒng)計(jì)

問(wèn)題:用途不同的語(yǔ)言差距較大

IBM370的改進(jìn):增設(shè)小于等于指令,以支持

循環(huán)語(yǔ)句

?面向編譯優(yōu)化代碼生成的改進(jìn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

對(duì)稱性

表2.9各種語(yǔ)句的靜態(tài)使用頻度《%〉例

S■-

百句一元多元

IFGOTOI/ODOCALL其他

語(yǔ)言比他旦值

FORTRAN31151J.510,56.5，L5615.0

COBOL.12.17.519.119.18.4b0.170.173.4

由表29卷出，一元賦值語(yǔ)句比例很大，F(xiàn)ORTRAN的約為1/3.COBOL的接近;

,這與前述加快“存”、"取”機(jī)棉指令的執(zhí)行是一致的.忘對(duì)減少程序的執(zhí)行時(shí)間有兩

豚響.還可看出,干語(yǔ)句的比例也比較高，且COBOL的比FORTRAN的還要高，

R功前更強(qiáng)的“條件轉(zhuǎn)移”指令也是應(yīng)該的。

至于賦值語(yǔ)句中右邊表達(dá)式氈算術(shù)型的，其各種算術(shù)運(yùn)算的錚態(tài)使用頻度統(tǒng)計(jì)罪

。所示.可以看Hl,加法運(yùn)算中只是加"1”的比例很高，F(xiàn)ORTRAN的約占加法運(yùn)算

40%,COBOL的約占30%,因此，在機(jī)鋸中專門設(shè)置加“】”的母母指令是必耍的。面

中指令不要加數(shù)地址，使地址碼長(zhǎng)度和指令字長(zhǎng)都可以縮短U

表2.10洛種算術(shù)運(yùn)算的靜態(tài)使用頻度（％）

術(shù)運(yùn)算加層

巳員入柔哥

成法泉法除法函數(shù)

語(yǔ)言加“1”其他.

FORTRAN142L620,42*1,59.47.92.2,

COBOLIB,52.417.816.2/0,7

2.3.2按CISC方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

2.面向高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)改進(jìn)

?縮小整體的語(yǔ)義差距

?機(jī)器面向多種指令系統(tǒng)，多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：面向

自尋優(yōu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

?發(fā)展高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器

各種機(jī)器的語(yǔ)義差距

間接高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器：以匯編方式使高級(jí)語(yǔ)言

轉(zhuǎn)換為機(jī)器語(yǔ)言

直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器：高級(jí)語(yǔ)言即為機(jī)器語(yǔ)言

面向高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器

傳統(tǒng)機(jī)器

CObuL

由2.22.各種語(yǔ)言與傳統(tǒng)機(jī)器而令系鴕拈+

丁.語(yǔ)義愛(ài)樂(lè),

尚報(bào)沿官程序?

A、

■

SIH

辰間接執(zhí)行

二

執(zhí)高級(jí)錯(cuò)官

行機(jī)器

高

二

面

向

—皴

尚

吉

語(yǔ)

黑

凱

言

.機(jī)

黯

傳統(tǒng)僑

機(jī)唇杯

」

[11F微程序石I罌被

,'?J:./卜2|_.匕""，.1Ii

:圖2,有種機(jī)鈴的語(yǔ)義普距

2.3.3按簡(jiǎn)化指令功能方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

1.精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)思想的提出

?發(fā)展歷史

?CISC的問(wèn)題

?設(shè)計(jì)RISC的一般原則(Patterson等人提出)

(1)選擇使用頻度高的指令，壓縮指令條數(shù)

(2)減少尋址方式

(3)指令執(zhí)行不超過(guò)一個(gè)機(jī)器周期

(4)設(shè)置大量通用寄存器

(5)大多數(shù)指令使用硬聯(lián)線控制實(shí)現(xiàn)，少量采用微

程序?qū)崿F(xiàn)

(6)優(yōu)化設(shè)計(jì)編譯程序，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言提供支持

2.3.3按簡(jiǎn)化指令功能方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

2.RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)

?遵循設(shè)計(jì)RISC的一般原則

?硬聯(lián)與微程序相結(jié)合的技術(shù)

?設(shè)置大量的寄存器組，采用寄存器重疊窗口

(OverlappingRegisterWindow)技術(shù)

Risen的寄存器重疊窗口技術(shù)

?指令的執(zhí)行采用流水和延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)

?采用認(rèn)真設(shè)計(jì)和優(yōu)化編譯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)

R9BRgC

B

CPU的工作A過(guò)程看到的B過(guò)程看到的C過(guò)程看到的

寄存器組寄存器窗口寄存器窗口寄存器窗口

圖2.26RISCH的重疊寄存器窗口

表2.12每次CALL/RETURN的開(kāi)銷.

計(jì)算機(jī)執(zhí)行時(shí)間（伴）執(zhí)行指令的條數(shù)訪問(wèn)存貯器的次數(shù)

4''一--

VAX—1126519

PDP-11221915

MC68000「一19912

RISCI2160.2

（4）指令的執(zhí)行采用流水和延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。

工；設(shè)X、Y為主存單元，Rd,Ro、Rb、Re為寄存器單元，且R。中放值0。有一個(gè)未采用延

轉(zhuǎn)移的程序：

指令地址指令功能

210取X,Rd(X)fRd

211力DRd，#1,Rd(Rd)+iRd

212條轉(zhuǎn)〈條件〉,215條件滿足轉(zhuǎn)215,否則執(zhí)行213

213力口Rd,Ro?Rb(RDF

214減Rb,Re.Rb(Rb)一(RQfRb

215存Rd,Y(Ra)-Y

216??????

當(dāng)執(zhí)行到地址為212的條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，如果轉(zhuǎn)移成功，則預(yù)取的213指令就應(yīng)作廢，即

，不應(yīng)將Rd的內(nèi)容轉(zhuǎn)送到Rb。為了保證程序的正確性，就應(yīng)在212后面插入一條“加R。,

Ro,RJ指令，相當(dāng)于插入一條空操作指令（該指令執(zhí)行結(jié)果仍然存的是0）,如下列左邊的

'程序所示。因此，不管212是否成功轉(zhuǎn)移，都不會(huì)影響到其他運(yùn)算的中間結(jié)果或最后結(jié)果,

加這樣，不管條件轉(zhuǎn)移是否發(fā)生總要多花一個(gè)周期。

210取X,Ra210取X,Rd

211力口Rd，#1,Ra211條轉(zhuǎn)〈條件3215

212條轉(zhuǎn)〈條件》,216212力DRd,#1,Rd

213力n&,Ro,Ro213力口Rd，Ro9Rb

214加Rd>Ro,Rb214減Ra>RctRb

215減Rb>Rc,Rb215存Rd,Y?

216存Rd,Y216

2.3.3按簡(jiǎn)化指令功能方向發(fā)展與改進(jìn)指令系統(tǒng)

3.RISC技術(shù)的發(fā)展

(1)RISC的優(yōu)點(diǎn)

?簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，適合VLSI實(shí)現(xiàn)

?提高機(jī)器的執(zhí)行速度和效率

?降低設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的可靠性

?支持高級(jí)語(yǔ)言，簡(jiǎn)化編譯系統(tǒng)的設(shè)