【正文】 指令系統(tǒng)。 ? 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備，中間為主存儲器 ? 隱含編址方式： 堆棧、 Cache等 3. 并行存儲器的編址技術 ? 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。 ? 低位交叉編址 ： 主要是提高存儲器速度。 地址碼的低位部分是各個存儲體的體號，高位部分經(jīng)過譯碼器譯碼后，用來區(qū)分存儲體的體內(nèi)地址。 尋址方式 尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放地址的方法 1. 尋址方式的設計思想 ? 立即數(shù)尋址方式 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 OPC R OPC R, R OPC R, R, R OPC R, M 寄存器尋址 P83 ? 主要優(yōu)點： 指令字長短（寄存器數(shù)量相對要少），指令執(zhí)行速度快，支持向量和矩陣等運算 ? 主要缺點： 不利于優(yōu)化編譯，現(xiàn)場切換困難 ,硬件復雜 面向堆棧的尋址方式 P85： OPC 。運算型指令 OPC M 。數(shù)據(jù)傳送型指令 ? 主要優(yōu)點：支持高級語言，有利與編譯程序，節(jié)省存儲空間，支持程序的嵌套和遞歸調(diào)用，支持中斷處理 ? 主要缺點：運算速度比較低，棧頂部分設計成一個高速的寄存器堆 ? 面向主存儲器的尋址方式 ： 直接尋址、 間接 尋址 、變址 尋址 、 相對尋址 基址尋址、自動變址、 … OPC M OPC M, M OPC M, M, M 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 程序的模塊化設計 表、隊列、堆棧等數(shù)據(jù)結構在程序運行過程中，其大小往往是變化的 有些程序本身很大，大于分配給它的主存物理空間 ? 主要的定位方式 ?直接定位方式： 在程序裝入主存儲器之前，程序中的指令和數(shù)據(jù)的主存物理就已經(jīng)確定了的稱為直接定位方式。 ?靜態(tài)定位： 用專門設計的定位裝入程序完成定位，所以要求程序本身可以重定位。在程序運行前，裝入主存儲器的過程中集中一次完成地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)在主存中的物理地址。 ? 主要的定位方式 ?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。 必須有硬件支持，與變址尋址方式 方法 相同。程序在裝入主存時，指令和數(shù)據(jù)的地址不做任何修改，只把主存的起始地址存入與該程序相對應的基址寄存器中。程序執(zhí)行時，用地址加法器將指令中的邏輯地址與基址寄存器中的主存起始地址相加即得物理地址。 指令格式的優(yōu)化設計 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 指令的組成 操作碼的優(yōu)化設計 地址碼的優(yōu)化設計 指令格式設計舉例 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 地址碼通常包括三部分內(nèi)容： 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、相對尋址、寄存器尋址 操作碼 ( OPC ) 地址碼 ( A ) ? 操作碼主要包括兩部分內(nèi)容： ?操作種類： 加、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 ?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) 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 B1700機 操作碼編碼方式 整個操作系統(tǒng)所用 指令的操作碼總位數(shù) 改進的百分比 8 位 固 定長編碼 301,248 0 4 6 10 擴展編碼 184,966 39 ％ Huffman 編碼 172,346 43 ％ 1. 固定長操作碼 ? 定長定域 ： IBM公司的大中型機：最左邊 8位為操作碼 Intel公司的 Intanium處理機： 14位定長操作碼 許多 RISC處理機采用定長操作碼 ? 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） H p piini? ? ??? 21lo g2. Huffman編碼法 1952年由 Huffman首先提出 ? 操作碼的 最短平均長度 可通過如下公式計算： pi表示第 i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 ? 固定長編碼的 信息冗余量 ： ? 必須知道每種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 ? ? R p p n i i i n ? ? ? ? ? 1 2 1 2 log log 指令序號 I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 出現(xiàn)的概率 例 ： 假設一臺模型計算機共有 7種不同的操作碼，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。 例 ： ? 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點合并成一個概率值是二者之和的新結點，并把這個新結點與其它還沒有合并的結點一起形成一個新的結點集合。 ?在新結點集合中選取兩個概率最小的結點進行合并，如此繼續(xù)進行下去，直至全部結點合并完畢。 ?最后得到的根結點的概率值為 1。 ?每個 新 結點都有兩個分支，分別用帶有箭頭的線表示，并分別用一位代碼 “ 0”和 “ 1”標注。 ?從根結點開始，沿箭頭所指方向?qū)ふ业竭_屬于該指令概率結點的最短路徑，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 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0. 05 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 I 1 0 1 位 I 2 1 0 2 位 I 3 1 1 0 3 位 I 4 1 1 1 0 4 位 I 5 1 1 1 1 0 5 位 I 6 1 1 1 1 1 0 6 位 I 7 1 1 1 1 1 1 6 位 H p li ii? ???17????? 71 2logiii ppH解：采用 Huffman編碼法的操作碼平均長度為： ＝ 1＋ 2＋ 3＋ 4＋ 5＋ 6＋ 6 ＝ （位） 操作碼的最短平均長度為： ＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＝ （位） R ? ? ?1 1 951 97 1 0%.. .? 采用 3位固定長操作碼的信息冗余量為： ? Huffman編碼法的信息冗余量僅為： 與 3位固定長操作碼的信息冗余量 35％相比要小得多 ? ? % 35 3 97 . 1 1 7 log 1 2 ? ? ? ? ? H R R ? ? ?1 1 952 00 2 5%.. .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編碼法相結合形成 例 ：（ P94） 將例 1235擴展編碼法，操作碼最短平均長度為： H＝ 1＋ 2＋ 3 ＋ (＋ ＋ ＋ ) 5＝ 信息冗余量為： R ? ? ?1 1 952 20 11 4%.. .例 ： 將例 24等長擴展編碼法，操作碼最短平均長度為： H＝ (＋ ＋ ) 2 ＋ (＋ ＋ ＋ ) 4 ＝ ? 24等長擴展編碼法信息冗余量為： 7 條指令的操作碼擴展編碼法指令序號 出現(xiàn)的概率 1235 擴展編碼 24 等長擴展編碼I1 0 0 0I2 1 0 0 1I3 1 1 0 1 0I4 1 1 1 0 0 1 1 0 0I5 1 1 1 0 1 1 1 0 1I6 1 1 1 1 0 1 1 1 0I7 1 1 1 1 1 1 1 1 1平均長度 信息冗余量 ％ ％操作碼 等長擴展編碼法 操作碼編碼 說 明 操作碼編碼 說 明 0000 0001 …… 1110 4 位長度的 操作碼共 15 種 0000 0001 …… 0111 4 位長度的 操作碼共 8 種 1111 0000 1111 0001 …… 1111 1110 8 位長度的 操作碼共 15 種 1000 0000 1000 0001 …… 1111 0111 8 位長度的 操作碼共 64 種 1111 1111 0000 1111 1111 0001 …… 1111 1111 1110 12 位長度的 操作碼共 16 種 1000 1000 0000 1000 1000 0001 …… 1111 1111 0111 12 位長度的操 作碼共 512 種 等長 15/15/15 ……擴展法 等長 8/64/512 ……擴展法 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 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 ，包括操作碼和地址碼 程序執(zhí)行速度 ，以程序執(zhí)行過程中訪問主存的信息量代表 通過一個典型例子來分析： fedcbax?????例如：計算一個典型的