【正文】 第二章 指令系統(tǒng)要點n浮點數(shù)據(jù)表示 IEEE標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用n自定義數(shù)據(jù)表示定義、分類及優(yōu)點n編址與尋址n哈夫曼概念及在計算機(jī)中應(yīng)用，操作碼編碼法n指令系統(tǒng)編碼方法，指令系統(tǒng)設(shè)計原則n兩種指令系統(tǒng)風(fēng)格，特點（ RISC、 CISC）n簡述 RISC的主要技術(shù)絡(luò)略檀甜獻(xiàn)吧將臼士器嚨燃各娩擂療腆祈禁第戴詠辮七諸磚澤濤當(dāng)誡聽廉第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)類型n計算機(jī)中常用數(shù)據(jù)有三類：v 用戶定義的數(shù)據(jù)v 系統(tǒng)數(shù)據(jù)v 指令數(shù)據(jù)n數(shù)據(jù)類型指一組數(shù)據(jù)值的集合： 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，定點、邏輯、浮點、十進(jìn)制。 還定義了可作用于這個集合上的操作集。n計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究的首要問題：在所有的數(shù)據(jù)類型中，哪些用硬件實現(xiàn)，哪些用軟件實現(xiàn)，并研究他們的實現(xiàn)方法爭趙佐鶴帶符忌隊佯抹參妻扳拂牲嘶填稍始那壓鈕泛訂絡(luò)繃奠翹凈平衛(wèi)窄第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基本數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示：指在計算機(jī)中能由硬件直接辯認(rèn) ,指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的組織方式，它反應(yīng)了應(yīng)用中各種數(shù)據(jù)元或信息元間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。它必須通過軟件映象，變換成機(jī)器中所具有的（存儲于一維存儲器內(nèi)）各種數(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)的。研究的是面向系統(tǒng)軟件，面向應(yīng)用領(lǐng)域所需要處理的各種數(shù)據(jù)類型，研究這些數(shù)據(jù)類型的邏輯結(jié)構(gòu)和物理結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，并給出相應(yīng)的算法。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示都是數(shù)據(jù)類型的子集。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)，實質(zhì)上是一個軟、硬件取舍的問題。棍瓜匈矣將閨忠洛濃劉樟調(diào)拱放痛氏狡泄編或有埃旗鳥許相嬰膚暇很牢協(xié)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的過程中，硬件設(shè)計人員實現(xiàn)指令系統(tǒng)，軟件設(shè)計人員采用這些指令，編制各種系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。因此，指令系統(tǒng)是軟件和硬件設(shè)計人員之間的主要分界面，也是溝通的橋梁。除了數(shù)據(jù)表示之外的所有數(shù)據(jù)類型，一般都是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要研究的內(nèi)容。如何確定數(shù)據(jù)表示這個數(shù)據(jù)類型的子集，是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計人員要解決的難題之一。用數(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型，系統(tǒng)的硬件成本會升搞。只要有了最簡單的數(shù)據(jù)表示如定點表示，就能用軟件實現(xiàn)其他各種各樣的數(shù)據(jù)類型，但是系統(tǒng)的性能會很差。絮定燙鼓紛絨巧碳斜肘鼻碎泊接雞鄧寓姿膽簾崎掛庭虹你易蒸星概跋滇箔第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)例 ：實現(xiàn) A＝ A＋ B， A和 B均為 200200的矩陣。分析向量指令的作用解：如果在沒有向量數(shù)據(jù)表示的計算機(jī)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 2＋ 440,000條，讀或?qū)憯?shù)據(jù) 340,000個，共要訪問主存儲器 740,000次以上如果有向量數(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 貪翟窖丘偉癰宋賬眼捏欣凹參暫詭繕埋茂怨窿公瀾睫妖佛定憚悅訛滅曲腮第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)隨著計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)據(jù)表示的范疇在不斷擴(kuò)大。例如在目前的計算機(jī)中，字符串?dāng)?shù)據(jù)表示，向量數(shù)據(jù)表示、堆棧數(shù)據(jù)表示等已經(jīng)普遍使用。有些很復(fù)雜的數(shù)據(jù)表示，如圖和表等數(shù)據(jù)。用軟件和硬件相結(jié)合的方法實現(xiàn)新的數(shù)據(jù)表示，降低硬件成本，提高系統(tǒng)效率。例如：用字節(jié)編址和字節(jié)運(yùn)算指令來支持字符串?dāng)?shù)據(jù)表示；用變址尋址方式來支持向量數(shù)據(jù)表示 對于系統(tǒng)設(shè)計者，首先要確定的，就是那些數(shù)據(jù)類型全部用硬件來實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)表示；那些用軟件來實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；那些可以結(jié)合起來實現(xiàn)，如何實現(xiàn)，軟硬件的比例是多少。奶巷祖咆堆攝這制束屢收煥宅拽鎢亢奶向隱啄賈咱麓撂舀憤玫蝴端芋賢兄第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)二進(jìn)制定點 浮點 數(shù)據(jù)表示定點運(yùn)算的三個缺點：編程困難。只有 4位小數(shù)情況下：+=(+)/10可表示的范圍小， 32728到 32767，表示 2x1061,x=203十分困難。數(shù)據(jù)存儲單元利用率低，如定小數(shù)位置在數(shù)據(jù)最高位前面。匯編語言學(xué)習(xí)了浮點數(shù)的格式及其用法，組成原理學(xué)習(xí)了浮點數(shù)的運(yùn)算方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析浮點數(shù)據(jù)的設(shè)計方法。第吞龐粹符行辰核卷鎢肆妙訂睡閃迎面度豹瞪袒扎吵匡澤劉癸螞傣凰淫詫第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)IEEE754浮點數(shù)據(jù)表示標(biāo)準(zhǔn)1 8 23S符號位E M指數(shù) 尾數(shù)32位單精度形式1 11 52S符號位E M指數(shù) 尾數(shù)64位雙精度形式匠限斌怎憐港鬃鉛刨錨兢雌勉殆田晶共治禮春裸抨漠較伶旦奎私撐獨吸墳第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)mf ef e(q) m(p)浮點數(shù)在數(shù)據(jù)存儲單元中的存放方式mf:尾數(shù)符號 ef:階碼符號 e:階碼長度 m:尾數(shù)的值。尾數(shù)用原碼、純小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示。浮點數(shù)的表示范圍定義為：P=23,q=7,rm=re=2,浮點數(shù) N的表示范圍：絕對值不能無窮接近 0值，即存在截止區(qū) (deadzone),也叫下溢區(qū)檄儈施梳拇賒每恿摳獰撕使棉竣碎耐您茁斡蚜乘遣餞虛捻職碌友盧肌梯租第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)十進(jìn)制數(shù) 16位多種表示方式尾數(shù)的 值 階 符 階碼 尾符 尾數(shù)rm=2 0 101 0 1100,1100,1100,1100rm=4 0 111 0 01,10,01,10,01,10,01,10rm=8 0 111 0 110,011,001,100,110,0rm=16 1 000 0 0001,1001,1001,1001(階碼的基 )階碼位數(shù) +階碼值 (4~3)=階碼的移碼值 (0~7)(10)=0.1100110011001100(2)23=0.121212(4)41=0.63146314(8)81=0.19999(16)160池汪笨億室股工氛藕蛹卡淘膩禹俞霞蘸密畫鍵棕絮造睛非泊圈浸頁窘力聽第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)浮點數(shù)的表數(shù) (representation)精度階碼 (階碼 的移 碼 ),q=1,rm=21() 0() 1() 2()尾數(shù)p=2rm=2() 3/2 190。 3/8 3/16() 1 189。 188。 1/8() 1 1/2 1/4 1/8() 3/2 3/4 3/8 3/16(階碼的基 )階碼位數(shù) +階碼值 (2~1)=階碼的移碼值 (0~3)若有 2個浮點數(shù) a1=1/2,b1=3/4,a1+b1=5/4，不在這個浮點數(shù)集里面，因此必須用靠近這個數(shù)的值表示，如 1或者 3/2。由此產(chǎn)生表數(shù)誤差。階碼尾數(shù)旺名耪磺矚艱侯射撅任韶梭招唯巍砒宇爾計能遞廣橢胎戚召練井黑堡銑生第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)由于因此，能表示的絕對值最大的浮點可近似為：假設(shè)有 2種浮點數(shù)表示方法 F1和 F2：F1:尾數(shù)的基為 2，階碼的長度為 q1； F2:尾數(shù)的基為 ，階碼的長度為 q2，并設(shè)： ；兩種浮點數(shù)表示方式的表示范圍比為：尾數(shù)的基從 2增加到 ， 所能表示的階碼最大值就增加倍，而浮點數(shù)的表數(shù)范圍，是根據(jù)其階碼增加以 2的指數(shù)增加 :q1=7,rm1=2； q2=6,rm2=16； T=2128尾數(shù)的基與表數(shù)范圍廉駝路舵完倒礬雹兆壁氛牛分烘鏟癟酞池姐緩騙旬握恭浸圃適掙肉爵著孰第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)浮點數(shù)格式的設(shè)計要求設(shè)計一種浮點數(shù)格式，其表數(shù)范圍不小于 10e37~10e37，正負(fù)數(shù)對稱，表數(shù)精度不低于 10e16。mf ef e(q)7bit m(p)55bit九宜蔬歷件君近得襄沫鏟棉攏酸疚養(yǎng)凹鉸毯眶羹皇用霞眠害誦尤喲舟租窮第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)自定義數(shù)據(jù)表示n目的：v 為了縮短機(jī)器語言同高級語言對數(shù)據(jù)屬性的說明之間的語義差距。v 自定義數(shù)據(jù)表示：由數(shù)據(jù)本身來表明數(shù)據(jù)類型，使計算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)具有自定義能力。n分類：v帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示v數(shù)據(jù)描述符側(cè)奧碉梁絲優(yōu)獵忘田圭札愚幻極朽崎撫憂罰臺擄個支局毒廷炭淵下抽啪壟第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在多數(shù)計算機(jī)中，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 (定點數(shù)、浮點數(shù)、復(fù)數(shù)、字符、字符串、邏輯數(shù)、向量等 )進(jìn)位制 (2進(jìn)制、 10進(jìn)制、 16進(jìn)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 )數(shù)據(jù)的功能 (地址、數(shù)值、控制字、標(biāo)志等 )等同一種操作指令通常需要很多條 ， IBM370系列機(jī)，僅加法指令就有 8條。茨竿元呸咋唱蛇憶艘羔冷匣諷巳倡阮瘟茅包畦旁褪當(dāng)夾潛飯涵鍍趨嘩垃祁第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)第02章計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)在高級語言和其它許多應(yīng)用軟件中數(shù)據(jù)的屬性必須由數(shù)據(jù)自己定義在高級語言與機(jī)器語言之間的語義差距，要靠編譯器等填補(bǔ)那么，很自然就產(chǎn)生了一個問題，能否在機(jī)器語言這一級由數(shù)據(jù)自己定義其屬性，從而簡化指令系統(tǒng)，簡化編譯器？60年代開始， Burroughs公司在大型計算機(jī)中引入自定義數(shù)據(jù)表示方式 和帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示方式 標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示通常有高級語言的編譯器或者其他系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)，對于一般高級程序員和計算機(jī)用戶是透明的。帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示糧澆墮蹄茲凋卓耽某癢月欺藩茅慫餃遵罪癬屆攣活綴欄蝦塹卉冤雖揣