【正文】 第 7講） 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) 指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì) 主要目標(biāo)： 節(jié)省程序的存儲(chǔ)空間 指令格式盡量規(guī)整，便于譯碼 研究?jī)?nèi)容： 操作碼的優(yōu)化表示；地址碼的優(yōu)化表示 指令的組成 操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 指令格式設(shè)計(jì)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 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 操作數(shù)描述 ： 數(shù)據(jù)的類型 ：定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、復(fù)數(shù)、 字符、字符串、邏輯數(shù)、向量 進(jìn)位制 ： 2進(jìn)制、 10進(jìn)制、 16進(jìn)制 數(shù)據(jù)字長(zhǎng) ：字、半字、雙字、字節(jié) 地址碼 通常包括三部分內(nèi)容： 地址 ： 直接地址、間接地址、立即數(shù)、 寄存器編號(hào)、變址寄存器編號(hào) 地址的 附加信息 ： 偏移量、塊長(zhǎng)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(duì)尋址、寄存器尋址 操作碼的優(yōu)化表示 操作碼的 三種編碼方法 ： 固定長(zhǎng)度， Huffman編碼、擴(kuò)展編碼 改進(jìn)操作碼編碼方式 能夠節(jié)省程序存儲(chǔ)空間，例如： Burroughs公司的 B1700機(jī) 操作碼 編碼方式 整個(gè)操作系統(tǒng)所用 指令的操作碼總位數(shù) 改進(jìn)的 百分比 8位定長(zhǎng)編碼 4610擴(kuò)展編碼 Huffman編碼 301,248 184,966 172,346 0 39％ 43％ Huffman編碼法 1992年由 Huffman首先提出 操作碼的 最短平均長(zhǎng)度 可通過下式計(jì)算： 其中： Pi表示第 i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 固定長(zhǎng)操作碼相對(duì)于 Huffman操作碼的 信息冗余量 為： inii ppH ?????12l og? ?nppRniii212l o gl o g1??????例 ： 假設(shè)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)共有 7種不同的操作碼，如果采用固定長(zhǎng)操作碼需要 3位。 靜態(tài)定位 ：在程序裝入主存儲(chǔ)器的過程中隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為靜態(tài)定位方式。剩余數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) 主要優(yōu)缺點(diǎn)比較： 采用變址尋址方式編寫的程序 簡(jiǎn)單 、 易讀 。停機(jī) num: n 。個(gè)數(shù)減 1 bgt loop 。在匯編時(shí)計(jì)算 inc x 。保存數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，保證再入性 loop: move (x), adas(x) 。剩余數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) 用變址尋址方式編寫程序如下 ： start: move as, x 。當(dāng)前正在傳送的源數(shù)組地址 adi: 0 。目標(biāo)數(shù)組的起始地址 num: n 。停機(jī) asr: as 。個(gè)數(shù)減 1 bgt loop 。源數(shù)組的地址增量 inc adi 。保存數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) loop: move asi, adi 。保存源數(shù)組的起始地址 move adr, adi 。為了編程簡(jiǎn)單，采用一般的兩地址指令編寫程序。當(dāng)前正在傳送的源數(shù)組地址 都能做到不改變程序而修改操作數(shù)地址 原則上，一種處理機(jī)中只需設(shè)置間址尋址方式與變址尋址方式中的任何一種即可，有些處理機(jī)兩種尋址方式都設(shè)置 如何選取間址尋址方式與變址尋址方式？ 優(yōu)缺點(diǎn)怎樣？ 例 ： 一個(gè)由 N個(gè)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。目標(biāo)數(shù)組的起始地址 num: n 。停機(jī) asr: as 。個(gè)數(shù)減 1 bgt loop 。源數(shù)組的地址增量 inc adi 。保存數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù) loop: move asi, adi 。保存源數(shù)組的起始地址 move adr, adi 。為了編程簡(jiǎn)單，采用一般的兩地址指令編寫程序。 主要內(nèi)容： 設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法 尋址方式的設(shè)計(jì)思想 立即數(shù)尋址方式 用于數(shù)據(jù)比較短、源操作數(shù) 面向寄存器的尋址方式 OPC R OPC R, R OPC R, R, R OPC R, M 面向主存儲(chǔ)器的尋址方式： OPC M OPC M, M OPC M, M, M 面向堆棧的尋址方式： OPC OPC M 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)地址的修改問題 都能做到不改變程序而修改操作數(shù)地址 原則上，一種處理機(jī)中只需設(shè)置間址尋址方式與變址尋址方式中的任何一種即可，有些處理機(jī)兩種尋址方式都設(shè)置 如何選取間址尋址方式與變址尋址方式？ 優(yōu)缺點(diǎn)怎樣？ 例 ： 一個(gè)由 N個(gè)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。 低位交叉編址 主要目的是提高存儲(chǔ)器速度。 一臺(tái)設(shè)備多個(gè)地址 。 主要內(nèi)容： 編址單位、零地址空間個(gè)數(shù)、并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)、輸入輸出設(shè)備的編址技術(shù) 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(zhǎng) 一般：字節(jié)編址，字訪問 部分機(jī)器：位編址，字訪問 輔助存儲(chǔ)器：塊編址 字節(jié)編址字訪問的優(yōu)缺點(diǎn) 有利于信息處理 地址信息浪費(fèi)、存儲(chǔ)器空間浪費(fèi) 讀寫邏輯稍復(fù)雜 0字節(jié)位置引起的問題 零地址空間個(gè)數(shù) 三個(gè)零地址空間 ：通用寄存器、主存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備均獨(dú)立編址 兩個(gè)零地址空間 ：主存儲(chǔ)器與輸入輸出設(shè)備統(tǒng)一編址 一個(gè)零地址空間 ：所有存儲(chǔ)設(shè)備統(tǒng)一編址，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(chǔ)器 隱含編址方式 ，實(shí)際上沒有零地址空間：堆棧、 Cache等 輸入輸出設(shè)備的編址 一臺(tái)設(shè)備一個(gè)地址 一臺(tái)設(shè)備兩個(gè)地址 ：數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)或控制寄存器 多個(gè)需要編址的寄存器共用同一個(gè)地址的方法 ：依靠地址內(nèi)部來區(qū)分，適用于被編址的接口寄存器的長(zhǎng)度比較短。階碼進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí)，移碼的加減法運(yùn)算要比補(bǔ)碼復(fù)雜 尾數(shù)的基值 rm選擇 2， 階碼的基值 re取 2， 浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是： 在表數(shù)范圍和表數(shù)精度給定的情況下，如何確定最短的尾數(shù)字長(zhǎng) p和階碼字長(zhǎng) q 例 ： 要求設(shè)計(jì)一種浮點(diǎn)數(shù)格式，其表數(shù)范圍不小于 1037，正、負(fù)數(shù)對(duì)稱，表數(shù)精度不低于 1016。 階碼： 一般機(jī)器都采用整數(shù)、移碼表示。采用原碼制表示：加減法比補(bǔ)碼表示復(fù)雜，乘除法比補(bǔ)碼簡(jiǎn)單，表示非常直觀。 浮點(diǎn)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(shí)，規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù) N的表數(shù)范圍： 1位 1位 q位 p位 mf ef e m ? ? ?? ? ? ? ??1 11r r r rm mpm mqeqer rN ( )尾數(shù)為補(bǔ)碼，而負(fù)數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍為： 浮點(diǎn)數(shù)在數(shù)軸上的分布情況 例 ： p＝ 23， q＝ 7， rm＝ re＝ 2， 尾數(shù)用原碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示，求規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù) N的表數(shù)范圍。 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) 來定義。 尾數(shù)的符號(hào)位表示整個(gè)數(shù)的正負(fù)。 *101 , 50*102 尾數(shù)用原碼表示，最高位不等于零，稱之為規(guī)格化數(shù)。 最高一位為符號(hào)位， 1代表正號(hào)， 0代表負(fù)號(hào)。 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)來說， [x]原 = [x]反 =[x]補(bǔ) 即符號(hào)位為零，后面加上 x的真值。 確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問題。 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