計算機體系結(jié)構(gòu)第二章指令系統(tǒng)

V:人

yuan

計算機與

W2012-9-23

jfuNormalUniversity

院圖同ujiuiij.ni|J

第2章指令系統(tǒng)

2.1數(shù)據(jù)表示

2.2尋址技術(shù)

2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計

2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,Qufu^oi-nuilUniversity2012-9-232

□指令系統(tǒng)是軟件與硬件之間的一個主要分界由

也是他們之間互相溝通的一座橋梁

?凡是在為“

指令系統(tǒng)發(fā)展相當緩慢，需

?硬件I

要用軟件來填補的東西也就

?軟件室一越來越多應

用軟曲j慣的使用

方式之I,靛篇

□指令系統(tǒng)設(shè)計必容瞰件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人

員共同來完成

2012-9-233

□本章主要內(nèi)容有三大方面:

?數(shù)據(jù)表示

?尋址技術(shù)

?指令系統(tǒng)設(shè)計

□指令系統(tǒng)設(shè)計:

?指令的格式設(shè)計

?指令系統(tǒng)的功能設(shè)計

?指令系統(tǒng)的性能評價

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SchoolofComputerScience,QuiuNonna1Jjniversity2012-9-234

2.1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)的表示方法

2.1.3浮點數(shù)格式設(shè)計

2.1.4浮點數(shù)的舍入處理

2.1.5警戒位的設(shè)置方法

2.1.6自定義數(shù)據(jù)表示

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2012-9-235

2.1.1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

■例如：定點、邏輯、浮點、十進制、字符、字符串、

堆棧和向量等

□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)，哪些用數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，是軟硬件主要分界面之一，是軟件與

-5更件的取舍問題

SchoolofComputerScience,一.QufuJjprmalUniversity2012-9-236

□確定數(shù)據(jù)表示的原則

?一是縮短程序的運行時間

?二是減少CPU與主存儲器之間的通信量

?三是這種數(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

?例如：矩陣、樹、圖、表及自定義數(shù)據(jù)表示等已經(jīng)開

始用于數(shù)據(jù)表示中

2012-9-237

也AL二

□例2.1如果用定點數(shù)據(jù)表示實現(xiàn)浮點運算，處理機

的運算速度要降低兩個數(shù)量級

□分析：

?用定點運算指令實現(xiàn)32位浮點運算時，平均要執(zhí)行100條

以上的指令

?CPU與主存儲器之間的通信量也將增加100多倍

?因此，降低2個數(shù)量級

例2.2：計算C=A+B,其中，A、B、C均為

200X200的矩陣,分析采用向量數(shù)據(jù)表示的作

解：如果在沒有向量數(shù)據(jù)表示的計算機上實現(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：2+4X40,000條，

讀或?qū)憯?shù)據(jù)：3X40,000個，

共要訪問主存儲器：7X40,000次以上

如果有向量數(shù)據(jù)表示，只需要一條指令。

問主存（取指令）次數(shù)4X40,000次

曲阜師范大學計算機學院-----------------------------------------

SchoolofComputerScience,OufijLNormalJJniversity2012-9-239

口發(fā)展趨勢：用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)新的數(shù)

據(jù)表示

□例

?用字節(jié)編址和字節(jié)運算支持字符串數(shù)據(jù)表示

?用變址尋址方式來支持向量數(shù)據(jù)表示

□對于數(shù)據(jù)類型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計者的任務(wù)：

?確定哪些數(shù)據(jù)類型全部用硬件實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)表示

?哪些數(shù)據(jù)類型用軟件實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

?哪些數(shù)據(jù)類型由硬件和軟件共同實現(xiàn)，并確定軟件與硬

件的適當比例關(guān)系

曲阜師范大學計算機學E

SchoolofComputerScience,QuiuNonna1Jjniversity2012-9-2310

2.1.2浮點數(shù)的表示方法

1.浮點數(shù)的表示方式

N=mx了

□兩個數(shù)值：，m

?尾數(shù)m：尾聲的值,還包括數(shù)制（小數(shù)或整數(shù)）和碼制（原

碼或補碼）

?階碼e：階碼的值,一般采用移碼或補碼，是整數(shù)

□兩個基值：

?尾數(shù)基值7：2、4、8、16和10進制等

?階碼基值％：通常為2進制

□兩個字長：

?尾數(shù)長度P:尾數(shù)部分按基值計算的長度

?階碼長度q：階碼部分的二進制位數(shù)

SchoolofComputerScience,QU&LNormalJJniversity2012-9-2311

例22已知一個32位浮點數(shù)C1C00000,無法知道

它表示的是什么數(shù)值！給出6個參數(shù)：尾數(shù)用純小數(shù),

原碼表示，「m=16,p=6;階碼用整數(shù)，移碼表示,

re=2,q=6；浮點數(shù)格式如下圖。

解：11000001110000000000000000000000

-12/16x161=-12.0

?浮點數(shù)的存儲式

1位1位°位夕位

mfefem

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。

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SchoolofComputerScience,Q^fuNormalUniversity2012-9-2312

2.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:

re

rm~^rm~夕

□尾數(shù)為補碼，負數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍為：

411q

r

_「<N<-(.+"A/T，

rmfmrrmrrm

□浮點數(shù)在數(shù)軸上的分布情況

例2.3：尾數(shù)用原碼、小數(shù)表示，階碼用移只

整數(shù)表示，p=23,q=7,rm=re=2,求

規(guī)格化浮點數(shù)N的表數(shù)范圍（非規(guī)格化？）。

解：規(guī)格化浮點數(shù)N的表數(shù)范圍是：

1-272327-1

一2<<(1-2).2

2

即：

-129/入T1-23、127

2<TV<(1-2)-2

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,QufuI^^T^^Jniversity2012-9-2314

1位1位

15

0111111111111111

?規(guī)格化最小正數(shù):

00000000010000000000000000000000

?規(guī)格化最大負數(shù)：

10000000010000000000000000000000

?規(guī)格化最小負數(shù)：

^^1111111111111111111111111111111

■曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,Qufu^ormalUniversity2012-9-2315

□階碼用移碼表示

浮點o的范圍：|%卜尸〃「

對于上例：N<9-129

□移碼與補碼的關(guān)系

十進制：-128-10+127

補碼：10000000111111110000000001111111

移碼：00000000011111111000000011111111

曲阜師范大學計算.

SchoolofComputerScience,Quf^^^nal^University2012-9-2316

例2.4：尾數(shù)用補碼、小數(shù)表示，階碼用移

整數(shù)表示，p=23,q=7,rm=re=2,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在正數(shù)區(qū)的表數(shù)范圍：

172327-1

—2-2Q<2V<(1-2).0

2

N在負數(shù)區(qū)的表數(shù)范圍：

127，入丁，，1,-23x-128

2(一+2)-2

2

曲討師范大學計算.

SchoolofComputerScience,Qufu^^mm^Jniversity2012-9-2317

1位1位7位23位

mfefem

注：mf為尾數(shù)的符號位，ef為階碼的符號位，e為階碼的值，口為尾數(shù)的值。

?規(guī)格化最大正數(shù)：相同

01111111111111111111111111111111

?規(guī)格化最小正數(shù)：相同

00000000010000000000000000000000

?規(guī)格化最大負數(shù)：尾數(shù)-0.1000...00001

10000000001111111111111111111111

?規(guī)格化最小負數(shù)：尾數(shù)-1.0

^^^11111111100000000000000000000000

■曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,Qufi^orntalUniversity2012-9-2318

例2.5：尾數(shù)用補碼、小數(shù)表示，階碼用移陋

整數(shù)表示，p=6,q=6,rm=16,又=2,

求規(guī)格化浮點數(shù)N表數(shù)范圍是:

解：規(guī)格化浮點數(shù)N在正數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍:

16-65<<(1-166).16

在負數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍:

63j-?-r/1-6、-64

—16<N<—(+16),16

16

1位1位6位6位

mfefem

注：mf為尾數(shù)的符號位，ef為階碼的符號位，e為階碼的值，口為尾數(shù)的值。

?規(guī)格化最大正數(shù)：相同

01111111111111111111111111111111

?規(guī)格化最小正數(shù)：相同

00000000000100000000000000000000

?規(guī)格化最大負數(shù)：尾數(shù)?0.000100...00001

10000000111011111111111111111111

?規(guī)格化最小負數(shù)：尾數(shù)-L0

11111111000000000000000000000000

■曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,OufuJ^prmalUniversity2012-9-2320

3.IEEE754浮點數(shù)國際標準

口32位單精度浮點數(shù)格式如下:

符號S,1位階碼e,8位尾數(shù)數(shù)值

?階碼用移碼表示，即階碼的0?255分別表示階

碼的真值為“28?127

?尾數(shù)用原碼、小數(shù)，1位符號位、23位小數(shù)共

24位表示

?尾數(shù)和階碼的基值都是2

□64位雙精度浮點數(shù)，階碼用11位移碼表示

曲阜師范大學計算機學院、

SchoolofComputerScience,

4.浮點數(shù)的表數(shù)精度（誤差）

□產(chǎn)生誤差的根本原因是浮點數(shù)的不連續(xù)性

?這是因為浮點數(shù)字長是有限的

■比如32位字長，能表示浮點數(shù)最多是232個

口一種浮點數(shù)表示方式能表示的浮點數(shù)個數(shù)只是實數(shù)中

很少的一部分，即它的一個子集，稱之為浮點數(shù)集

□絕對表數(shù)誤差

M-N

□相對表數(shù)誤差：5=------------

N

?N是浮點數(shù)集內(nèi)任一實數(shù)

一??!是與N最接近的浮點數(shù)

曲阜師范大學計算機到

SchoolofComputerScience,QufuUniversity2012-9-2322

口誤差產(chǎn)生的直接原因有兩個:

(1)兩個浮點數(shù)都在浮點集內(nèi)，而運算結(jié)果卻可能不在這個

浮點集內(nèi)

(2)數(shù)據(jù)從十進制轉(zhuǎn)化為2、4、8、16進制，產(chǎn)生誤差

曲阜師范大學計算.

SchoolofComputerScience,Qufu^^nnaHJniversity2012-9-2323

□例:如果一種浮點數(shù)表示方式的夕=1,0=2,%=2,

r=2,尾數(shù)用原碼、純小數(shù)表示，階碼用移氈

、整數(shù)表示。這種浮點數(shù)表示方式所能表示的

浮點數(shù)值是多少？若兩個浮點數(shù)即=1/2/廣3/4,

則怎么表示？表數(shù)誤差是多少？

解

所能表示的全部浮點數(shù)如圖2.3和表2.4

2K7

陽2.」一"小由口在收■上第分苗

,???￡)

I(l.l>0(1.0)-2(0.0)

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櫛*■力用/效i5-1/2,仇-3/4部在所定義的浮點集內(nèi)?而它們相加的結(jié)果'

若兩個浮點數(shù)為=1/2也=3/4,則為+?=5/4,不在浮點

數(shù)集內(nèi)，因此必須用該浮點數(shù)集內(nèi)的最靠近5/4的浮

點數(shù)1或3/2來代替，從而產(chǎn)生絕對表數(shù)誤差:

5=|〃—N|=|5/4—3/2|=1/4

或5=|"—N|=|5/4—1|=1/4

或相對表數(shù)誤差:

口規(guī)格化浮點數(shù)的精度為：b"p）=

?當。=2時，有r（2“）=L2Ti=2一。

2

曲討師范大學計算.

SchoolofComputerScience,Qufu^^mm^Jniversity2012-9-2327

5.浮點數(shù)的表數(shù)效率

口規(guī)格化浮點數(shù)

?定義：尾數(shù)最高位為非零的浮點數(shù)

?特例：機器零，其尾數(shù)和階碼都是0,但是規(guī)格化浮點數(shù)

□補充：規(guī)格化浮點數(shù)的精度是最高的

?當尾數(shù)用小數(shù)表示時，其絕對值在1/%到1之間

□浮點數(shù)運算過程中，當出現(xiàn)非規(guī)格化浮點數(shù)時，必須

通過左規(guī)格化或右規(guī)格化操作來把它變換成規(guī)格化浮

點數(shù)

?當尾數(shù)小于1/rm時，要左移，同時階碼減1（左規(guī)格化）

■消毆大于1時，要右移，同時階碼加1（右規(guī)格化）

曲阜師范大學計算機學院----------------------------------------

SchoolofComputerScience,QufuJjormalUniversity2012-9-2328

□由于浮點數(shù)表示方式中可能出現(xiàn)非規(guī)格化浮點,

因此，浮點數(shù)是一種冗余數(shù)制(RedundatNumber

System)

□浮點數(shù)的表數(shù)效率定義為:

可表示的規(guī)格化浮點數(shù)個數(shù)2(〃-1)//一】x2r/+l

77==

全部浮點數(shù)個數(shù)2n/x2r/

簡化表示：="二1

ym

當尾數(shù)基值為2時，浮點數(shù)的表數(shù)效率為:

?浮點數(shù)的表數(shù)效率隨7增大

當尾數(shù)基值7=16時，浮點數(shù)的表數(shù)效率為：

16—1

7/(16)=--------------------=942^0

16

尾數(shù)基值％=16與%=2相比，浮點數(shù)的表數(shù)效率提

高了：

77(16)

T=———-=1.875倍

7(2)

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2012-9-2330

2.2尋址技術(shù)

?尋找數(shù)據(jù)及其它信息的地址的技術(shù)稱為尋址胸

?尋址技術(shù)研究的主要內(nèi)容:

2.2.1編址方式

2.2.2尋址方式

2.2.3定位方式

?尋址技術(shù)研究的主要對象：寄存器，主存儲器,

堆棧，輸入輸出設(shè)備等

重點：尋址方式的選擇

2.2.1編址方式

?對各種存儲設(shè)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、輸入輸出設(shè)備的編址

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

?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：塊編址，位訪問

?字節(jié)編址字訪問的優(yōu)點：

有利于符號處理

?字節(jié)編址，數(shù)據(jù)在主存中的存放方法:

字節(jié)半字雙_

一字單字半.

一字單字字節(jié)單一

-字

---------字長：64位，8個字節(jié)------------------->

(a)可從任意位置開始訪問

*缺點：

?存儲字有可能跨越兩個存儲單元，降低存儲器工作速度

A存儲器讀寫控制復雜

(b)寫一個字節(jié)到存儲器

…xxOO字節(jié)浪費

???xx08半字浪費

…xx10單字浪戰(zhàn)

…xx18雙字

___空46.A4布

(b)從一個存儲字的起始位置開始訪問

?優(yōu)缺點：

A與第一種相反

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2012-9-2335

,,xx00字節(jié)浪費

,?xx08雙字

,?xx10半字浪費

,,xx18雙字

,?xx20單字浪費

,,xx28雙字

,,xx30字節(jié)浪費單字

,,xx38半字浪費單字

,,xx40字節(jié)浪費半字

字長：64位，8個字節(jié)

(c)從地址的整倍數(shù)位置開始訪問

(4)大端(BigEndin)與小端(LittleEndian)問)

07815162324313239404748555663

字節(jié)000001010011100101110111

(a)從左邊開始編址

63565548474039323124231615870

字節(jié)111110101100011010001000

(b)從右邊開始編址

一個存儲字的兩種編址方式

12345678computer

310310310

78563412Pm0Cretu

(a)(b)

一種數(shù)據(jù)存儲方式

?字節(jié)編址字訪問的優(yōu)點:

有利于符號處理

?字節(jié)編址字訪問的問題:

(1)地址信息浪費

對于64位機器，訪問雙字時，浪費3位地

址

(2)存儲器空間浪費

(3)讀寫邏輯復雜

(4)大端(BigEndin)與小端(LittleEndian)問

題

2.零地址空間個數(shù)

?三個零地址空間：通用寄存器、主存儲器、

輸入輸出設(shè)備獨立編址

?兩個零地址空間：主存儲器與輸入輸出設(shè)備

統(tǒng)一編址

?一個零地址空間：最低端是通用寄存器，最

高端是輸入輸出設(shè)備，中間為主存儲器

?隱含編址方式：堆棧、Cache等

3.輸入輸出設(shè)備的編址

?一臺設(shè)備一個地址：通過指令來區(qū)分地址

?一臺設(shè)備兩個地址：一個地址是數(shù)據(jù)寄存器、另一

個地址是狀態(tài)或控制寄存器

□多個編址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(shè)備多個地址：增加編程的困難

4.并行存儲器的編址技術(shù)

□高位交叉編址：主要用來擴大存儲器容量

＞地址碼的低位部分是各個存儲體的體內(nèi)地址，高位部分

經(jīng)過譯碼器譯碼后，用來區(qū)分存儲體的體號

口低位交叉編址：主要是提高存儲器速度

＞與高位交叉變址方法相反，其低位部分是組成主存儲器

的各個存儲體的體號，高位部分是各個存儲體的體內(nèi)地

址

?一個存儲周期內(nèi)，n個存儲體分時啟動，采用流水線方式

工作

2.2.2尋址方式

尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放地址的方法

1.尋址方式的設(shè)計思想

?立即數(shù)尋址方式

A直接在指令中給出操作數(shù)

?優(yōu)點：不需要數(shù)據(jù)存儲單元，速度快

?缺點：用于數(shù)據(jù)比較短，且為源操作數(shù)的場合

面向寄存器的尋址方式

＞指令執(zhí)行過程中所需要的操作數(shù)來源于寄存器，

運算結(jié)果也寫回寄存器

A指令中只要指定通用寄存器的編號，無須指定主

存地址

A指令格式：

OPCR

OPCR,R

OPCR,R,R

OPCR,M

?面向主存儲器的尋址方式:

OPCM

OPCM,M

OPCM,M,M

A包括直接尋址、間接尋址、變址尋址

A直接尋址：在指令中直接給出參加運算的操作數(shù)

及運算結(jié)果所存放的主存地址，即在指令中直接給

出有效地址

?間接尋址：在指令中給出的是操作數(shù)地址的地址,

必須經(jīng)過兩次或兩次以上的訪問主存操作才能得到

操作數(shù)

A變址尋址：需要設(shè)置一個或多個變址寄存器，

長度由主存地址空間決定，主要作用是用來存放數(shù)

組的基地址

,在指令中給出變址寄存器的編號和地址的偏移

量

,當指令執(zhí)行時，用一個硬件加法器，把變址寄

存器中給出的基地址與指令中給出的地址偏移量

作算術(shù)加法，相加的結(jié)果就是有效地址

?面向堆棧的尋址方式：

OPC;運算型指令

OPCM;數(shù)據(jù)傳送型指令

A指令中不給出操作數(shù)的地址

?參加運算的操作數(shù)從堆棧頂端彈出，如果需要兩

個或多個操作數(shù)，則依次從堆棧頂端彈出，運算結(jié)

果壓入堆棧頂端

2.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

-原則上，一種處理機中只需設(shè)置間址尋址與變址尋

址中的一種即可，有些處理機兩種方式都設(shè)置

?如何選取間址尋址方式與變址尋址方式？

例2.15：一個由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

存儲單元重疊問題。為了編程簡單，采用一般的兩

一地址指令編寫程序。

?用間接尋址方式編寫程序如下:

START:MOVEASR,ASI保存源起始地址

MOVEADR,ADI保存目標起始地址

MOVENUM,CNT保存數(shù)據(jù)的個數(shù)

LOOP:MOVE@ASI,@ADI傳送一個數(shù)據(jù)

INCASI源數(shù)組的地址增量

INCADI目標數(shù)組地址增量

DECCNT個數(shù)減1

BGTLOOP測試數(shù)據(jù)傳送完？

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;當前正在傳送的目標數(shù)組地址

CNT:0;剩余數(shù)據(jù)的個數(shù)

?用變址尋址方式編寫程序如下:

START:MOVEAS,；把源數(shù)組起始地址送

;變址寄存器

MOVENUM,CNT;保存數(shù)據(jù)個數(shù)

LOOP:MOVE(X),AD-AS(X);傳送一個數(shù)據(jù)

INCX；增量變址寄存器

DECCNT；個數(shù)減1

BGTLOOP;測試數(shù)據(jù)傳送完成

HALT;停機

；傳送的數(shù)據(jù)個數(shù)

；剩余數(shù)據(jù)的個數(shù)

?主要優(yōu)缺點比較：

(1)采用變址尋址方式編寫的程序簡單、易讀

(2)兩種尋址方式的主要差別是：

A間址尋址：間接地址在主存中，沒有偏移量

>變址尋址：基地址在變址寄存器中，有偏移量

(3)實現(xiàn)的難易程度：間址尋址方式容易實現(xiàn)

(4)指令的執(zhí)行速度：間址尋址方式慢

A如MOVE@ASI,@ADI需5次訪問主存

>MOVE(X),AD-AS(X)需3次訪問主存

(5)對數(shù)組運算的支持：變址尋址方式比較好

帶有偏移量，有效表示向量、矩陣等

3.寄存器尋址

?優(yōu)點：指令字長短，指令執(zhí)行速度快，支持向量幫

矩陣等運算（當通用寄存器數(shù)量多時，可以把向量或矩陣

的一部分放到寄存器中）

?缺點：不利于優(yōu)化編譯，現(xiàn)場切換困難，硬件復雜

4.堆棧尋址方式

?優(yōu)點：

＞支持高級語言，有利于編譯程序

,可翻譯成逆波蘭式，直接形成程序

＞節(jié)省存儲空間

,不需要地址碼

A支持程序的嵌套和遞歸調(diào)用，支持中斷處理

/調(diào)用時需保存的返回地址、處理機狀態(tài)、程序現(xiàn)場等壓入堆棧

?缺點：運算速度比較低，主要由于堆棧與處理機之間信息傳

送量大造成的

?解決辦法：可以棧頂部分設(shè)計成一個高速的寄存器堆.

2.2.3定位方式

程序的主存物理地址在什么時間確定？采用什

么方式來實現(xiàn)？

程序需要定位的主要原因：

＞程序的獨立性

＞程序的模塊化設(shè)計

＞在程序運行過程中，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)大小是變化的

＞有些程序本身很大，大于分配給它的主存物理

?主要的定位方式

A直接定位方式：在程序裝入主存前，程序中的指令

和數(shù)據(jù)的主存物理地址就已經(jīng)確定了。

A靜態(tài)定位：在程序裝入主存儲器的過程中隨即進行

地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為

靜態(tài)定位方式。

?動態(tài)定位：在程序執(zhí)行過程中，當訪問到相應的指

令或數(shù)據(jù)時才進行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主

存物理地址的稱為動態(tài)定位方式。

2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計

主要目標：節(jié)省程序的存儲空間，指令格式盡量規(guī)

整，便于譯碼

2.3,1指令的組成

232操作碼的優(yōu)化設(shè)計

2.3,3地址碼的優(yōu)化設(shè)計

234指令格式設(shè)計舉例

2.3.1指令的組成

一般的指令主要由兩部分組成:

操作碼和地址碼

操作碼(OPC)地址碼(A)

地址碼通常包括三部分內(nèi)容：

操作數(shù)的地址：地址碼、立即數(shù)、寄存器、變址寄存器

地址的附加信息：偏移量、塊長度、跳距

尋址方式：直接尋址、間接尋址、立即數(shù)尋址、變址尋址、

i相對尋址、寄存器尋址

2.3.1指令的組成

地址碼通常包括三部分內(nèi)容：

操作數(shù)的地址：

>對于間接尋址方式，給出間接地址；

>對于立即數(shù)尋址方式，在地址碼部分直接給出操作數(shù)；

>對于寄存器尋址方式，給出通用寄存器編號；

>對于變址尋址方式，給出變址寄存器編號

地址的附加信息：偏移量、塊長度、跳距

尋址方式：直接尋址、間接尋址、立即數(shù)尋址、變址尋址、

相對尋址、寄存器尋址

?操作碼主要包括兩部分內(nèi)容：

A操作種類：力口、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位、轉(zhuǎn)

移、輸入輸出、程序控制、處理機控制等

A操作數(shù)描述：

數(shù)據(jù)的類型：定點數(shù)、浮點數(shù)、復數(shù)、字符、字符

串、邏輯數(shù)、向量

進位制：2進制、10進制、16進制

數(shù)據(jù)字長：字、半字、雙字、字節(jié)

2.3.2操作碼的優(yōu)化表示

操作碼的三種編碼方法：

固定長度、Huffman編碼、擴展編碼

優(yōu)化操作碼編碼的目的：節(jié)省程序存儲空間

例如：Burroughs公司的B-1700機

整個操作系統(tǒng)所用

操作碼編碼方式改進的百分比

指令的操作碼總位數(shù)

8位固定長編碼301,2480

4-6-10擴展編碼184,96639%

Huffman編碼172,34643%

1.固定長操作碼

?操作碼用固定位（如8位）表示

＞舊M公司許多大中型計算機；許多RISC計算機

,主要優(yōu)點：

規(guī)整

譯碼簡單

?主要缺點：

浪費信息量（操作碼的總長位數(shù)增加）

2.Huffman編碼法

1952年由Huffman首先提出

最優(yōu)Huffman編碼法表示的操作碼的最短平均長度

可通過如下公式計算：

H=-￡P(guān)iXlog2Pi

pj表示第j種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率

固定長編碼相對于Huffman編碼的信息冗余量:

n

PiXlogPi

R=1-—------------------------

n

log2

必須知道每種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率

例2.16：假設(shè)一臺模型計算機共有7種不同的操作礫

如果采用固定長操作碼需要3位。已知各種操作碼在

程序中出現(xiàn)的概率如下表，計算采用Huffman編碼

法的操作碼平均長度，并計算固定長操作碼和

Huffman操作碼的信息冗余量。

指令序號11I2I3I4I5I617

出現(xiàn)的概率0.450.300.150.050.030.010.01

利用Huffman樹進行操作碼編碼

（又稱最小概率合并法）

＞把所有指令按照操作碼在程序中出現(xiàn)的概率大小，

自左向右順序排列。

＞選取兩個概率最小的結(jié)點合并成一個概率值是二者

之和的新結(jié)點，并把這個新結(jié)點與其它還沒有合并

的結(jié)點一起形成一個新的結(jié)點集合。

＞在新結(jié)點集合中選取兩個概率最小的結(jié)點進行苔笄;

如此繼續(xù)進行下去，直至全部結(jié)點合并完畢。

A最后得到的根結(jié)點的概率值為1。

A每個新結(jié)點都有兩個分支，分別用帶有箭頭的線表

示，并分別用一位代碼“0”和“1”標注。

A從根結(jié)點開始，沿箭頭所指方向?qū)ふ业竭_屬于該指

令概率結(jié)點的最短路徑，把沿線所經(jīng)過的代碼排列

起來就得到了這條指令的操作碼編碼。

利用Huffman樹進行操作碼編碼

0.450.300.150.050.030.010.01

利用Huffman樹進行操作碼編碼

0.450.300.150.050.030.010.01

0.02

利用Huffman樹進行操作碼編碼

利用Huffman樹進行操作碼編碼

0.10

利用Huffman樹進行操作碼編碼

利用Huffman樹進行操作碼編碼

0.55

利用Huffman樹進行操作碼編碼

1.00

利用Huffman樹進行操作碼編碼

Huffman操作碼編碼

指令序號出現(xiàn)的概率Huffman編碼法操作碼長度

110.4501位

I20.30102位

I30.151103位

I40.0511104位

I50.03111105位

I60.011111106位

170.011111116位

解:采用最優(yōu)Huffman編碼法操作碼的最短平

長度為:

"=-2>魄/=0.45X1.152+0.30X1.737

1=1

+0.15X2.737+0.05X4.322

+0.03X5.059+0.01X6.644

+0.01X6.644=1.95（位）

采用Huffman編碼法的操作碼平均長度為：

7

H=工夕?/.=（）.45X1+0.30X2+0.15X3+

Z=1

0.05X4+0.03X5+0.01X6+0.01X6

程1.97（位）

?采用3位固定長操作碼的信息冗余量為:

H1.97

R=T—p----------=|=1---------?35%

73

log2

Huffman編碼法的信息冗余量僅為：

195

R=1---------?1.0%

1.97

與3位固定長操作碼的信息冗余量35%相比要小得多

3.擴展編碼法

?Huffman操作碼的主要缺點：

操作碼長度很不規(guī)整，硬件譯碼困難

與地址碼共同組成固定長的指令比較困難

擴展編碼法：由固定長操作碼與Huffman編碼法

相結(jié)合形成。

例2.17：將例2.16改為1?2?3?5擴展編碼法，操作

碼最短平均長度為：

例2.17：將例2J6改為1?2?3?5擴展編碼法，操作

碼最短平均長度為：

7條指令的操作碼擴展編碼法

指令序號出現(xiàn)的概率1-2-3-5擴展編碼2-4等長擴展編碼

11'0.45?000

I20.301001

I30.1511010

I40.05111001100

I50.03111011101

I60.01111101110

：

170.01-111111111

平均長度2.02.2

信息冗余量2.5%11.4%

H=0.45X1+0,30X2+0.15X3

+(0.05+0.03+0.01+0,01)X5=2.00

1.95

信息冗余量為:R=T—...........=2.5%

2.00

曲阜師范大學計算機學院

SchoolofComputerScience,QufuNormalUniversity2012-9-2379

例2.18：將例2」6改為2?4等長擴展編碼法，操作碼

短平均長度為:

H=(0.45+0,30+0.15)X2

+(0.05+0,03+0.01+0.01)X4

=2.20

2?4等長擴展編碼法信息冗余量為:

1.95

R=1-----------=11.4%

2.20

7條指令的操作碼擴展編碼法

指令序號出現(xiàn)的概率1-2-3-5擴展編碼2-4等長擴展編碼

11'0.45?000

I20.301001

I30.1511010

I40.05111001100

I50.03111011101

I60.01111101110

：

170.01-111111111

平均長度2.02.2

信息冗余量2.5%11.4%

操作碼等長擴展編碼法(4-8-12)

操作碼編碼說明操作碼編碼說明

00000000

00014位長度的00014位長度的

??????操作碼共15種....操作碼共8種

11100111

1111000010000000

111100018位長度的100000018位長度的

...操作碼共15種??????操作碼共64種

1111111011110111

111111110000100010000000

11111111000112位長度的10001000000112位長度的操

??????操作碼共16種??????作碼共512種

111111111110111111110111

擴展法等長8/64/512……擴展法

不等長操作碼擴展編碼法（4-6-10擴展編碼）

各種不同長度操作碼的指令

編碼方法指令種類

4位操作碼6位操作碼10位操作碼

15/3/161531634

8/31/168311655

8/30/328?3013270

8/16/256816256280

4/32/256432256292

2.3.3地址碼的優(yōu)化表示

1.地址碼個數(shù)的選擇

地址碼個數(shù)通常有3個、2個、1個及0個等4種情況

OPCAdAsiAs2

OPCAdAs

2.3.3地址碼的優(yōu)化表示

1.地址碼個數(shù)的選擇

地址碼個數(shù)通常有3個、2個、1個及0個等4種情況

OPCA

只有一個源地址；

運算所需的兩個操作數(shù)，一個隱

含來自累加器（通用寄存器），

另一個來自源地址，運算結(jié)果隱

含放入累加器

2.3.3地址碼的優(yōu)化表示

1.地址碼個數(shù)的選擇

地址碼個數(shù)通常有3個、2個、1個及0個等4種情況

OPC

所需操作數(shù)隱含從堆棧頂部彈出,

運算結(jié)果隱含壓入堆棧頂部

□評價指令中地址碼個數(shù)應該取多少的標準主要

有兩個：

程序存儲容量：所有指令長度的總和最短；

程序執(zhí)行速度：程序執(zhí)行中訪問主存的信息（包括

指令和數(shù)據(jù)）量的總和最少。

通過一個典型例子來分析：

例如：計算一個典型的算術(shù)表達式:

A表示數(shù)據(jù)a的地

axb+c—d址，R表示通用寄

JC—存器(累加器)，

X、Y表示存放中

間結(jié)果的存儲單

元

?用三地址指令編寫的程序如下:不采用直接尋址方

式

MULX,A,BX-(A)X(B)

ADDX,X,CX-(X)+(c)

SUBX,X,D分子的計算結(jié)果在中

ADDY,E,F計算分母,存入丫

IVX,X,Y最后結(jié)果在X單元中

A用普通二地址指令編寫的程序:

MOVEX,A；復制臨時變量到X中

MULX,B

ADDX,C

SUBX,DX中存放分子運算結(jié)果

MOVEY,E復制臨時變量到丫中

ADDY,F丫中存放分母運算結(jié)果

DIVX,Y最后結(jié)果在X單元中

?用多寄存器結(jié)構(gòu)的二地址指令編寫程序:

MOVERI,A;操作數(shù)a取到寄存器R1中

MULRI,B

ADDRI,C

SUBRI,D;RI中存放分子運算結(jié)果

MOVER2,E

ADDR2,FR2中存放分母運算結(jié)果

DIVRI,R2最后結(jié)果在Rl中

MOVEX,RI最后結(jié)果存入X中

A用一地址指令編寫的程序:

LOADE；先計算分母，

；取一個操作數(shù)到累加器中

ADDF;分母運算結(jié)果在累加器中

STOREX;保存分母運算結(jié)果到X中

LOADA;開始計算分子

MULB

ADDC

SUBD;累加器中是分子運算結(jié)果

DIVX;最后運算結(jié)果在累加器中

STOREX;保存最后運算結(jié)果到X中

A用0地址指令編寫程序：逆波蘭表達式ab*c+d-ef+/

PUSHA;操作數(shù)a壓入堆棧

PUSHB;操作數(shù)b壓入堆棧

MUL；棧頂兩數(shù)相乘,結(jié)果壓回堆頂

PUSHC

ADD

PUSHD

SUB；棧頂是分子運算的結(jié)果

PUSHE

PUSHF

ADD

DIV;棧頂是最后運算的結(jié)果

jEDPX;保存最后運算結(jié)果

用不同地址個數(shù)指令編寫的程序

的存儲容量和執(zhí)行速度

地址數(shù)目指令條數(shù)訪存次數(shù)程序存儲量執(zhí)行速度（訪存信息量）

三地址5205P+15A=65B5P+15A+15D=185B

二地址7267P+14A=63B7P+14A+19D=215B

一地址9189P+9A=45B9P+9A+9D=117B

零地址124112P+7A=40B12P+7A+29D=272B

二地址,8158P+7A+9R=8P+7A+9R+7D=96B

寄存器型40B

P表示操作碼長度，A表示地址碼長度，D表示數(shù)據(jù)長度，R表示通

用寄存器的地址碼長度，B表示字節(jié)數(shù)。并取：D=2A=8P=16R=8B

不同地址個數(shù)指令的特點及適用場合

程序程序程序執(zhí)

地址數(shù)目適用場合

的長度存儲量行速度

三地址最短最大一般向量，矩陣運算為主

二地址較短很大很低一般不宜采用

一地址較長較大較快連續(xù)運算，硬件結(jié)構(gòu)簡單

零地址最長最小最低嵌套，遞歸，變量較多

二地址

一般最小最快多累加器，數(shù)據(jù)傳送較多

寄存器型

?關(guān)于地址碼個數(shù)結(jié)論:

A對于一般商用處理機，采用多寄存器結(jié)構(gòu)的二地址

指令是最理想的。

?如果強調(diào)硬件結(jié)構(gòu)簡單，并且以連續(xù)運算（如求累

加和等）為主，宜采用一地址結(jié)構(gòu)。

?對于以向量、矩陣運算為主的處理機，最好采用三

地址結(jié)構(gòu)。部分RISC處理機也采用三地址指令。

?對于解決遞歸問題為主的處理機，宜采用零地址結(jié)

構(gòu)。編程容易、節(jié)省程序存儲量。

2.縮短地址碼長度的方法

用一個短地址碼表示一個大地址空間

?用間址尋址方式縮短地址碼長度

方法：在主存儲器的低端開辟一個專門存放間接地

址的區(qū)域

?用變址尋址方式縮短地址碼長度

變址尋址方式中的地址偏移量比較短，

?用寄存器間接尋址方式縮短地址碼長度

例如：16個間址寄存器，用4位地址碼就能表示很長

4的邏輯地址空間。

2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計

2.4.1基本指令系統(tǒng)

通用計算機必須有5類基本指令

2.4.2指令系統(tǒng)的性能

完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性

2.4.3指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

CISC、RISC和VL