【正文】 大多數(shù)采用分類編址，有三類： ① 存儲(chǔ)效率 ： 堆棧型 〉 通用寄存器型 主存 寄存器 控制邏輯 堆棧 ? 有若干高速寄存器組成的硬件堆棧，并附加控制電路讓它與主存中的堆棧區(qū)在邏輯上組成一個(gè)整體，使堆棧的訪問(wèn)速度是寄存器的，堆棧的容量是主存的。 堆棧數(shù)據(jù)表示 通用寄存器型機(jī)器對(duì)堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持較差，表現(xiàn)為： 堆棧指令少，功能單一； 堆棧置于存儲(chǔ)器內(nèi)，訪問(wèn)堆棧速度慢 以寄存器尋址方式指令為主 — 通用寄存器型機(jī)器。 i=1000。 舉例： 現(xiàn)以美國(guó) Burroughs公司的 B6500， 7500為例進(jìn)行自定義數(shù)據(jù)表示的說(shuō)明，格式如下： 描述符 標(biāo)志位 特征標(biāo)記 數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度 數(shù)據(jù)塊起始地址 3 8 20 20 格式： 數(shù)據(jù) 000 數(shù)值 描述符 101 P C I S R T D 長(zhǎng)度 地址 3 1 1 1 1 20 2 20 1 1 1：不連續(xù)數(shù)據(jù) 0：連續(xù)數(shù)據(jù) 1：數(shù)據(jù)集中的一個(gè) 0：數(shù)據(jù)集的全體 只準(zhǔn)讀出的數(shù)據(jù) 00：數(shù)據(jù)描述符 寫(xiě)其他描述符 0：不在主存中 1：在主存中 0：?jiǎn)尉葦?shù)據(jù) 1：雙精度數(shù)據(jù) ? 優(yōu)點(diǎn) : – 實(shí)現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的索引比變址方法實(shí)現(xiàn)的好，而且能檢查程序設(shè)計(jì)中陣列越界錯(cuò)誤 – 為向量、數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供一定的支持，有利于簡(jiǎn)化編譯中的代碼生成 ? 引入可行性分析：同帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示 ? 描述符的工作過(guò)程如下圖 101 000 000 101 101 101 X Y 操作碼 指令 描述符 描述符 地址生成邏輯 （數(shù)據(jù)） （數(shù)據(jù)） 數(shù)據(jù)塊 數(shù)據(jù)塊 主存儲(chǔ)器 ? （ 2）在什么條件下，程序在處理機(jī) B上占用的存儲(chǔ)空間才小于在處理機(jī) A上占用的存儲(chǔ)空間？ RICICMA32232 ????解 （ 1）程序在處理機(jī) A上占用的存儲(chǔ)空間 RICICMB35230 ????程序在處理機(jī) B上占用的存儲(chǔ)空間 ?（ 2）為實(shí)現(xiàn) MB MA即有程序在處理機(jī) A上占用的存儲(chǔ)空間 RICICRICIC 64327030 ???由此可得 R3，即當(dāng)操作數(shù)平均重復(fù)訪問(wèn)次數(shù) R3，在帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示的處理機(jī)上運(yùn)行的程序占用的存儲(chǔ)空間會(huì)減小。 標(biāo)志符由編譯程序建立，對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)是透明的。 目的： 支持?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，提高 系統(tǒng)效率和性能 /價(jià)格比。最大誤差比截?cái)喾ù蟆? （ 2） 舍入法 。 （ 5）浮點(diǎn)數(shù)的下溢處理 尾數(shù)下溢處理方式： （ 1） 截?cái)?。 （ 3）浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)效率 浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)效率定義為 ? 浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率三個(gè)主要特征都與尾數(shù)基值 rm有關(guān)。浮點(diǎn)數(shù)表示的僅僅是實(shí)數(shù)的一個(gè)子集。當(dāng)有相同階碼與尾數(shù)位數(shù)時(shí)， rm大，則表示數(shù)的范圍大。 解：此浮點(diǎn)數(shù)共有 16位 階碼為 q=5，尾數(shù)位數(shù) p=9， re =2和 rm =16。 原因有兩點(diǎn)：一是因?yàn)椴捎靡?guī)格化表示的緣故。 rm=2時(shí)，其個(gè)數(shù)是 32。 7 6 5 4 3 2 1 0 階符 0 0 尾符 在 尾數(shù)基值 rm ＝ 2（二進(jìn)制） ， p=4(即尾數(shù)bit3~bit0，共 4位）、做規(guī)格化表示（即此時(shí)bit3=1）的正階、正尾的數(shù)的范圍： 在階碼相同的前提下，尾數(shù)采用不同基值時(shí)，表示的浮點(diǎn)數(shù)大小及個(gè)數(shù)均不相同。 三大特點(diǎn)：表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率 關(guān)鍵問(wèn)題：在數(shù)據(jù)字長(zhǎng)確定的情況下，找到具有 最大表數(shù)范圍、最高表數(shù)精度和最大表數(shù)效率 的浮點(diǎn)數(shù)表示方式。 實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)： 確定哪些數(shù)據(jù)類型用硬件即數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，哪些數(shù)據(jù)類型用軟件實(shí)現(xiàn)，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，哪些數(shù)據(jù)類型由軟件和硬件共同來(lái)實(shí)現(xiàn)。 通用性不好 向量機(jī)： 向量指令： 1條指令 , 減少取指令操作4*40000=160000次，程序執(zhí)行時(shí)間縮短了一半。由軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型。 ? 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型 ： 由一組相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復(fù)合而成的數(shù)據(jù)類型 數(shù)組、字符串、向量、堆棧、隊(duì)列、記錄、樹(shù)等 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所要研究的一個(gè)內(nèi)容是： 在所有這些數(shù)據(jù)類型中，哪些用硬件實(shí)現(xiàn)，哪些用軟件實(shí)現(xiàn)，并研究它們的實(shí)現(xiàn)方法。第二章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)表示 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示 高級(jí)數(shù)據(jù)表示 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的兩種風(fēng)格 數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 整數(shù)、實(shí)數(shù)、布爾數(shù)、二進(jìn)制位、字符、串、圖、表、樹(shù)、陣列、隊(duì)列、鏈表、棧、向量等。 所有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都支持基本數(shù)據(jù)類型 大多數(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能部分地支持結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)表示： 機(jī)器硬件能直接識(shí)別，并可以被指令調(diào)用的數(shù)據(jù)類型， 由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型。 確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，是軟硬件的主要分界面之一，本質(zhì)上是一個(gè)軟硬取舍問(wèn)題。 – 對(duì)復(fù)雜的樹(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持較好，高效； – 但對(duì)向量、數(shù)組、鏈表等其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)支持不夠，低效。 復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型一般通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或通過(guò)軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) (如 table、 graph、 record、 tree等 ) 簡(jiǎn)單的、常用的、通用的數(shù)據(jù)類型采用數(shù)據(jù)表示(如 int、 float、 stack等 )； – 數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一個(gè)子集， 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò) 一定的算法變成數(shù)據(jù)表示才能在系統(tǒng)中處理； – 數(shù)據(jù)表示是軟、硬件界面的一部分；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是軟件和應(yīng)用的一部分。 Nmin 0 Nmax Nmin Nmax 可表示的負(fù)數(shù) 可表示的正數(shù) 負(fù)下溢區(qū) 負(fù)上溢區(qū) 正下溢區(qū) 正上溢區(qū) ? 浮點(diǎn)數(shù)的一般格式：對(duì)任意浮點(diǎn)數(shù) N，可表示為： 其中： m：尾數(shù)，多采用規(guī)格化小數(shù)表示 e： 階碼的值，一般采用整數(shù)、移碼表示 rm ：尾數(shù)的基，一般采用二進(jìn)制、十六進(jìn)制 re ：階碼的基，一般采用二進(jìn)制 p：尾數(shù)長(zhǎng)度（不包括符號(hào)位），當(dāng) rm ＝ 16時(shí)，每四個(gè)二進(jìn)制位表示一位尾數(shù) q：階碼長(zhǎng)度 (不包括階碼的符號(hào)） 浮點(diǎn)數(shù)的表示需要六個(gè)基本參數(shù)：尾數(shù) m、階碼 e的值；尾數(shù)的基 rm、階碼的基 re、尾數(shù)長(zhǎng)度 p(不包括符號(hào)位 )、階碼長(zhǎng)度 q (不包括符號(hào)位 ) 一種浮點(diǎn)數(shù)的表示方式如下： mf ef e m 1 1 q p 在浮點(diǎn)表示方式中尾數(shù)采用規(guī)格化小數(shù)的目的是為了在尾數(shù)中表示最多的有效數(shù)據(jù)位及數(shù)據(jù)表示的惟一性。 可表示的最大正浮點(diǎn)數(shù)為 可表示規(guī)格化的最小正浮點(diǎn)數(shù)為 可表示的正階、正尾規(guī)格化數(shù)的個(gè)數(shù)為 2/1516/1582)21( 34 ???? ?2/122 01 ???322/122 24 ???16/15211 44 ???? ??mr最大尾數(shù)為 最小階碼為 最大階碼為 012 0 ??312 2 ??)3,2,1,0(42 2 ?階碼的個(gè)數(shù)為 最小尾數(shù)為 2/12 11 ?? ??mr尾數(shù)的個(gè)數(shù)為 162 4 ?在 尾數(shù)基值 rm ＝ 16（十六進(jìn)制） q＝ 2, p=4(尾數(shù)bit3~bit0， 4位二進(jìn)制組成一個(gè)十六進(jìn)制數(shù)） ,做規(guī)格化表示（即此時(shí) bit3~bit0 中必須有 1位為“ 1”，不許出現(xiàn)全“ 0”， bit3~bit0 為 0001～ 1111）的正階、正尾的數(shù)的范圍： 最小尾數(shù)為 16116 11 ?? ??mr1615161 1 ?? ?最大尾數(shù)為 最小階碼為 最大階碼為 012 0 ??31212 2 ????q422 2 ??q階碼的個(gè)數(shù)為 可表示的最小正浮點(diǎn)數(shù)為 16121612 001 ?????mr1512 ??p尾數(shù)的個(gè)數(shù)為 可表示的正階、正尾規(guī)格化數(shù)的個(gè)數(shù)為 60152 2 ??從上述例子，可得到下列兩個(gè)結(jié)論： （ 1）當(dāng)有相同階碼與尾數(shù)位數(shù)時(shí)， rm大，則表示數(shù)的范圍也大，表示數(shù)的個(gè)數(shù)增多。 可表示的最大正浮點(diǎn)數(shù)為 3 8 4 016)161()1( 31)12(1 ?????? ??? qmm rr而 rm=2時(shí)，其最大數(shù)是 15/2。如上例中 rm ＝ 2時(shí)，規(guī)格化后， 其尾數(shù)個(gè)數(shù)只為原來(lái)的 1/2；二是因?yàn)樵谕L(zhǎng)度階碼時(shí)， rm不同，每次小數(shù)點(diǎn)移動(dòng)位置不同，如上例中 rm ＝ 2時(shí)， 1個(gè)階碼值移動(dòng)小數(shù)點(diǎn) 1bit，而 rm ＝ 16時(shí)，則 移動(dòng) 4bits。 尾數(shù)用原碼表示，階碼采用移碼。但 rm大時(shí)，在數(shù)軸上的分布較稀疏。 規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)的表數(shù)精度主要與尾數(shù)基值和尾數(shù)長(zhǎng)度有關(guān)，一般認(rèn)為尾數(shù)最后 1位值的一半定義為表數(shù)精度 )2(21 ?? mpm rr )16(21 39。 （ 4）浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇 rm ＝ 2，表數(shù)效率只有 50%，為了提高表數(shù)效率，許多計(jì)算機(jī)采用了隱藏位表示法，此時(shí)表數(shù)效率100%； 當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)字長(zhǎng)確定后， rm取 2，具有最大的表數(shù)范圍、表數(shù)效率和最高的表數(shù)精度。也稱為不舍入法。被截尾數(shù)為 1進(jìn) 1，運(yùn)算中最大誤差小于一半。 （ 4） ROM或 PLA法 。 注意點(diǎn)： 新數(shù)據(jù)表示引入的可行性（原則）； 新數(shù)據(jù)表示的必要條件（指令系統(tǒng)和硬件器件）； 新數(shù)據(jù)表示的存取方法（如稀疏向量表示） 。 類型標(biāo)志 數(shù)據(jù) ? 優(yōu)點(diǎn)： – 簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì) – 簡(jiǎn)化了系統(tǒng)程序和編譯程序的設(shè)計(jì) – 便于一致性校驗(yàn) – 能由硬件自動(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)用軟件開(kāi)發(fā)提供支持 ? 缺點(diǎn)： – 硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度增加（數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、一致性檢驗(yàn)等） – 降低指令的執(zhí)行速度 – 必須用專門的指令完成標(biāo)志符的初始化 ? 引入可行性分析 – 存儲(chǔ)空間是否減少？ B A 數(shù)據(jù) 指令 總數(shù)少 總數(shù)多 通常有面積 B面積 A 采用標(biāo)志符后 數(shù)據(jù)字增長(zhǎng) 不采用標(biāo)志符 采用標(biāo)志符后 指令字縮短 ? 例 設(shè)處理機(jī) A的數(shù)據(jù)不帶標(biāo)志符，指令字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)字長(zhǎng)都是 32位，設(shè)處理機(jī) B的數(shù)據(jù)帶 3位標(biāo)志符，使數(shù)據(jù)字長(zhǎng)增至 35位，但可使指令字長(zhǎng)減少至 30位。 – 實(shí)現(xiàn)時(shí)間是否減少？ ?取出數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換，必須推遲到運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行 ?專門的指令用于標(biāo)志符初始化，增加了輔助開(kāi)銷 ?指令執(zhí)行過(guò)程中，對(duì)每個(gè)標(biāo)志符進(jìn)行逐個(gè)解釋，并判斷數(shù)據(jù)是否相容，因此單條指令的執(zhí)行速度降低，但宏觀執(zhí)行時(shí)間減少 – 宏觀時(shí)間 =設(shè)計(jì)時(shí)間 +編譯時(shí)間 +調(diào)試時(shí)間 通用性和利用率 這是一種理想的數(shù)據(jù)表示模式，通用性較好； 只用一種存儲(chǔ)器，利用率不高，采用指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器后，利用率不會(huì)降低。 101 3101 4101 4101 4000 (a11)000 (a12)000 (a13)000 (a14)000 (a21)000 (a22)000 (a23)000 (a24)000 (a31)000 (a32)000 (a33)000 (a34)陣列描述符三元素向量3*4 二維陣列Aa11 a12 a13 a14a21 a22 a23 a24a31 a32 a33 a343*4 二維陣列用描述符描述二維陣列 ? 標(biāo)志符是和每一個(gè)數(shù)據(jù)相連的，合存在一個(gè)存儲(chǔ)單元中，描述單個(gè)數(shù)據(jù)的類型特征。 i++) ? c[i]=a[i]+b[i]。 高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器：高級(jí)語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言合二為一，高級(jí)語(yǔ)言不用編譯，直接由機(jī)器硬件解釋執(zhí)行。 ?有很豐富的堆棧操作類指令且功能很強(qiáng)，直接可對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種運(yùn)算和處理 ?有力地支持高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯；逆波蘭表達(dá)式 – 如： F=A*B+C/(DE) – 逆波蘭表達(dá)式： AB*CDE/+ ?堆棧指令程序 ?有力地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用 qrsti+1 i+2 i+3irsti+1i i iq嵌套調(diào)用間接遞歸 直接遞歸i+1子程序現(xiàn)場(chǎng)信息返回地址r局部性參數(shù)i子程序現(xiàn)場(chǎng)信息返回地址q局部性參數(shù)......全局參數(shù)i+1子程序i子程序用堆棧實(shí)現(xiàn)子程序的嵌套和遞歸調(diào)用數(shù)據(jù)表示小結(jié)： －分類：