計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第5講-wenkub.com
2025-07-29 14:05 本頁(yè)面
【正文】 指令流調(diào)整技術(shù) 目標(biāo)： 通過(guò)變量重新命名消除數(shù)據(jù)相關(guān)，提高流水線(xiàn)執(zhí)行效率 例子： 調(diào)整后的指令序列比原指令序列的執(zhí)行速度快一倍 add r1, r2, r3 add r1, r2, r3 add r3, r4, r5 mul r6, r7, r0 mul r6, r7, r3 add r3, r4, r5 mul r3, r8, r9 mul r0, r8, r9 調(diào)整前 調(diào)整后 以硬件為主固件為輔 固件的 主要缺點(diǎn) 是：執(zhí)行速度低 主要優(yōu)點(diǎn)是： 便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜指令，便于修改指令系統(tǒng) 以 硬聯(lián)邏輯為主 來(lái)實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng) 對(duì)于復(fù)雜指令，也使用微程序技術(shù)實(shí)現(xiàn)。若 (ra)=(rb)則取消 下條指令 inc rb 重疊寄存器窗口技術(shù) （ Overlapping Register Window） 原因： RISC中，子程序比 CISC中多因傳送參數(shù)而訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器的信息量很大 美國(guó)加洲大學(xué)伯克利分校的 F .Baskett提出 實(shí)現(xiàn)方法： 設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它 劃分成很多個(gè)窗口。Then部分的程序代碼 …… U U U 。 例子： R R R …… S S S 。如果 (r3)＝ (r4)則轉(zhuǎn)移到 next 3: move r1, r2 4: add r4, r5 …… n: next: move r4, a 指令取消技術(shù) 采用指令延時(shí)技術(shù)，在許多情況下找不到可以用來(lái)調(diào)整的指令；分為三種情況： (1) 向后轉(zhuǎn)移（循環(huán)程序） 實(shí)現(xiàn)方法：循環(huán)體的第一條指令經(jīng)調(diào)整后安排在兩個(gè)位置，第一個(gè)位置是在循環(huán)體的前面，第二個(gè)位置安排在循環(huán)體的后面。 F E F E F E F E 1: add r1, r2 2: jmp next2 3: next1: sub r3, r4 …… n: next2: move r4, a 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址 指令作廢 重新取指令 因轉(zhuǎn)移指令引起的流水線(xiàn)斷流 F E F E F E 1: jmp next2 2: add r1, r2 3: next1: sub r3, r4 …… n: next2: move r4, a 產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址 插入指令 重新取指令 采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 的指令流水線(xiàn) 采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的兩個(gè)限制條件 (1) 被移動(dòng)指令在移動(dòng)過(guò)程中與所經(jīng)過(guò)的指令之間不能有數(shù)據(jù)相關(guān) (2) 被移動(dòng)指令不破壞條件碼，至少不影響后面的指令使用條件碼 如果找不到符 合 條件的指令，必須在條件轉(zhuǎn)移指令后面插入空操作；如果指令的執(zhí)行過(guò)程分為多個(gè)流水段，則要插入多條指令 調(diào)整前的指令序列： 1: move r1, r2 2: cmp r3, r4 。 RISC的速度要比 CISC快 3倍左右，關(guān)鍵是RISC的 CPI減小了 硬件方面： 采用硬布線(xiàn)控制邏輯，減少指令和尋址方式的種類(lèi)，使用固定的指令格式，采用 LOAD/STORE結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行過(guò)程中設(shè)置多級(jí)流水線(xiàn)等。 8088處理機(jī)的指令種類(lèi)約 100種 前 11種（ 11％）指令的使用頻度已經(jīng)超過(guò) 80％ 前 8種（ 8％）指令的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超過(guò) 80％ 前 20種（ 20％）指令：使用頻度達(dá)到％，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到 ％ 其余 80％指令：使用頻度只有 ％，只占 ％的處理機(jī)運(yùn)行時(shí)間 VLSI技術(shù)的發(fā)展引起的問(wèn)題 VLSI工藝要求規(guī)整性 RISC正好適應(yīng)了 VLSI工藝的要求 主存與控存的速度相當(dāng) 簡(jiǎn)單指令沒(méi)有必要用微程序?qū)崿F(xiàn)，復(fù)雜指令用微程序?qū)崿F(xiàn)與用簡(jiǎn)單指令組成的子程序?qū)崿F(xiàn)沒(méi)有多大區(qū)別；由于 VLSI的集成度迅速提高，使得生產(chǎn)單芯片處理機(jī)成為可能。 5. 每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)分支，分別用一位代碼“ 0” 和“ 1”表示。 指令 I1 概率 I2 I3 I4 I5 I6 I7 ，自左向右從排列好。 動(dòng)態(tài)定位 ：在程序執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)到相應(yīng)的指令或數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱(chēng)為動(dòng)態(tài)定位 方式。需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) t: 0 。增量變址寄存器 dec t 。源數(shù)組起址送變址寄存器 move num, t 。需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) asi: 0 。測(cè)試 n個(gè)數(shù)據(jù)是否傳送完 halt 。用間址尋址方式傳送數(shù)據(jù) inc asi 。 解： 用間接尋址方式編寫(xiě)程序如下： start: move asr, asi 。需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù) asi: 0 。測(cè)試 n個(gè)數(shù)據(jù)是否傳送完 halt 。用間址尋址方式傳送數(shù)據(jù) inc asi 。 解： 用間接尋址方式編寫(xiě)程序如下： start: move asr, asi 。 尋址方式 尋址方式： 尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法?！跋赂ā彪[含編址方式，必須按順序讀寫(xiě)寄存器。采用移碼表示的主要原因是：浮點(diǎn) 0與機(jī)器0一致。 qeqer rr r r rm m pm mN? ? ?? ? ? ? ? ? ?1 1( )上溢 上溢 下溢（浮點(diǎn)零） － Nmin Nmax Nmax Nmin 0 負(fù)數(shù)區(qū) 正數(shù)區(qū) 解： 規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù) N的表數(shù)范圍是： 例 ： 尾數(shù)用補(bǔ)碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示， p＝ 6， q＝ 6， rm＝ 16， re＝ 2，求規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù) N表數(shù)范圍 解： 規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù) N在正數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是： 12 27 72 23 2 11 2 2－ ? ? ? ? ??N ( )－即： 129 23 1272 1 22? ? ? ??N ( )16)161(16 63665 ???? ?N－在負(fù)數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是： 63 6 6416 16116 16? ? ? ? ? ?? ?N ( )浮點(diǎn)數(shù)格式的設(shè)計(jì) 定義浮點(diǎn)數(shù)表示方式的 6個(gè)參數(shù)的確定原則： 尾數(shù)： 多數(shù)機(jī)器采用原碼、小數(shù)表示。 階碼的符號(hào)位表示把尾數(shù)擴(kuò)大 (縮小 )N倍。 3．浮點(diǎn)數(shù)的規(guī)格化 同一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)的表示不是唯一的。 確定數(shù)據(jù)表示的原則： CPU與主存儲(chǔ)器之間的通信量 數(shù)據(jù)表示在不斷發(fā)展 如：矩陣、樹(shù)、圖、表及自定義數(shù)據(jù)表示等 浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法 浮點(diǎn)數(shù)的表示方式 一個(gè)浮點(diǎn)數(shù) N可以用如下方式表示： 需要有 6個(gè)參數(shù) 來(lái)定義。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （第 5講） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 第一章 基本概念 第二章 指令系統(tǒng) 第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 第四章 輸入輸出系統(tǒng) 第五章 標(biāo)量處理機(jī) 第六章 向量處理機(jī) 第七章 互連網(wǎng)絡(luò) 第八章 并行處理機(jī)和 多處理機(jī) 第二章 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要組成部分 指令系統(tǒng)是軟件與硬件分界面的一個(gè)主要標(biāo)志 指令系統(tǒng)是軟件與硬件之間互相溝通的橋梁 指令系統(tǒng)與軟件之間的語(yǔ)義差距越來(lái)越大 第二章 指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)表示 尋址技術(shù) 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) RISC指令系統(tǒng) 數(shù)據(jù)表示 新的研究成果，如浮點(diǎn)數(shù)基值的選擇方法 新的數(shù)據(jù)表示方法，如自定義數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類(lèi)型 浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法 自定義數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類(lèi)型 數(shù)據(jù)表示的定義： 數(shù)據(jù)表示是指計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類(lèi)型。 兩個(gè)數(shù)值： m： 尾數(shù)的值，包括尾數(shù)的碼制 (原碼或補(bǔ)碼 )和數(shù)制 (小數(shù)或整數(shù)） e： 階碼的值，移碼 (偏碼、增碼、譯碼、余碼等 )或補(bǔ)碼，整數(shù) rr qeem emN ??? 其中、反碼、補(bǔ)碼 (1) x=+10101 (2) x=10101 [x]原 =010101 [x]原 =110101 [x]反 =010101 [x]反 =101010 [x]補(bǔ) =010101 [x]補(bǔ) =101011 結(jié)論 1: 對(duì)于正數(shù)來(lái)說(shuō)， [x]原 = [x]反 =[x]補(bǔ) 即符號(hào)位為零，后面加上 x的真值。 *101 , 50*102 尾數(shù)用原碼表示，最高位不等于零，稱(chēng)之為規(guī)格化數(shù)。 浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法 浮點(diǎn)數(shù)的表示方式
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