【正文】 e t u (a) (b) 一種數(shù)據(jù)存儲方式 2. 零地址空間個數(shù) P75表 ? 三個零地址空間 ： 通用寄存器、主存儲器、輸入輸出設備獨立編址 ? 兩個零地址空間 ： 主存儲器與輸入輸出設備統(tǒng)一編址， 一般在地址碼的高端劃出一部分來用作輸入輸出設備的地址。 優(yōu)點：一個存儲周期即可讀出數(shù)據(jù)。 缺點 ：浪費部分存儲器資源。寫的方法類似，讀出和寫入只需一個存儲周期， why？ 讀出的數(shù)據(jù)字節(jié)字節(jié) 0 字節(jié) 1 字節(jié) 2 字節(jié) 3 字節(jié) 4 字節(jié) 5 字節(jié) 6 字節(jié) 7(a) 從存儲器里讀一個字節(jié) 寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)字節(jié) 0 字節(jié) 1 字節(jié) 2 字節(jié) 3 字節(jié) 4 字節(jié) 5 字節(jié) 6 字節(jié) 7( b ) 寫一個字節(jié)到存儲器讀一個字節(jié) 用多路選擇器 寫一個字節(jié) 先讀后寫 … x x 0 0 字節(jié) 浪 費… x x 0 8 半 字 浪 費… x x 1 0 單 字 浪 費… x x 1 8 雙 字 字長： 64 位， 8 個字節(jié)( b ) 從一個存儲字的起始位置開始訪問浪費部分存儲器資源，無論存儲的是字節(jié)、半字、字還是雙字， 都必須從一個存儲字的起始位置存放。當從存儲器中讀出一個字節(jié)時， 首先用除掉最低 3位之外的其余地址去讀主存，將從主存中讀出 8 個字節(jié)。 兩個缺點： （ 1）當要訪問一個雙字、一個單字或半字時，有可能花兩個存儲 周期。通常主存的字長是一個字節(jié)的 4倍以上，有的達到幾十倍。每取完一條指令，程序計數(shù)器加 1，每從主存中讀出一個數(shù)據(jù)，地址計數(shù)器加 1，地址信息、存儲容量沒有浪費。研究內(nèi)容包括： 編址方式 尋址方式 定位方式 重點：尋址方式的選擇 編址方式 ? 對各種存儲設備進行編碼的方法。 例 P70 存放一個 3 4矩陣。 101 標志位 長 度 地 址數(shù)據(jù)描述符000 數(shù) 值數(shù)據(jù)2. 數(shù)據(jù)描述符表示法 ?Burroughs公司生產(chǎn)的 B6700機中采用的數(shù)據(jù)描述符表示方法。 ?數(shù)據(jù)描述符與標志符的區(qū)別： 標志符只作用于一個數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)描述符要作用于一組數(shù)據(jù)。 解： X和 Y處理機程序占用的存儲空間總和分別 為： 和 ? 程序占用存儲空間的比值： 當 R＞ 3時，有 ， 在實際應用中經(jīng)常是 R＞ 10， ? 即帶標志符的處理機所占用的存儲空間通常 要小。分別計算這兩種不同類 型的處理機中程序所占用的存儲空間。 RIIB X 32232 ???RIIB Y 35230 ???例 ： 假設 X處理機的數(shù)據(jù)不帶標志符，其指 令字長和數(shù)據(jù)字長均為 32位； Y處理機的數(shù)據(jù) 帶標志符，數(shù)據(jù)字長增加至 35位，其中 3位是 標志符，其指令字長由 32位減少至 30位。 ? Burroughs公司在大型機中引入 自定義數(shù)據(jù)表示方式和帶標志符的數(shù)據(jù)表示方式 標志符 數(shù) 值帶有標志符的數(shù)據(jù)表示方式2 位 2 位 1 位 4 位 1 位功能 陷井 封寫 類型 校驗 數(shù) 值 1 0 位標志符在 R2 巨型機中帶標志符的數(shù)據(jù)表示方式1. 帶標志符的數(shù)據(jù)表示法 ? 在 B5000大型機中，每個數(shù)據(jù)有一位標志符 在 B6500和 B7500大型機中，每個數(shù)據(jù)有三位 來標志符 ? 在 R2巨型機中采用 10位標志符 ? R2巨型機中的標志符 功能位：操作數(shù)、指令、地址、控制字 陷井位：由軟件定義四種捕捉方式 封寫位：指定數(shù)據(jù)是只讀的還是可讀可寫 類型位：二進制 ,十進制 ,定點數(shù) ,浮點數(shù) ,復數(shù) ,字符串 ,單精度 ,雙精度；絕對地址、相對地址、變址地址、未連接地址等。 P65表 ? 在高級語言和應用軟件中，每種操作通常只有一種，數(shù)據(jù)的屬性在數(shù)據(jù)被引用之前就已經(jīng)定義好了。 減少訪問主存（取指令）次數(shù) 4 40,000次 ? 用軟件和硬件結(jié)合的方法實現(xiàn)新的數(shù)據(jù)表示 用字節(jié)編址和字節(jié)運算指令來支持字符串數(shù)據(jù)表示 用變址尋址方式來支持向量數(shù)據(jù)表示 ? 因此，設計計算機系統(tǒng)時，要確定哪些數(shù)據(jù)類型用硬件實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)表示；哪些數(shù)據(jù)類型用軟件實現(xiàn)，即數(shù)據(jù)結(jié)構； 哪些數(shù)據(jù)類型用軟件和硬件混合實現(xiàn)。 解： 如果在沒有向量數(shù)據(jù)表示的計算機上實現(xiàn)，一般需要 6條指令，其中有 4條指令要循環(huán) 4萬次。 例如：定點、邏輯、浮點、十進制、字符、字符串、堆棧和向量等 數(shù)據(jù)類型： 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)、字符等 確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問題 確定數(shù)據(jù)表示的原則 一是縮短程序的運行時間 二是減少 CPU與主存儲器之間的通信量 三是這種數(shù)據(jù)表示的通用性和利用率 數(shù)據(jù)表示在不斷發(fā)展 例如：矩陣、樹、圖、表及自定義數(shù)據(jù)表示 等已經(jīng)開始用于數(shù)據(jù)表示中 例 ： 計算 C＝ A＋ B，其中， A、 B、 C均為 200 200的矩陣。 ? 指令系統(tǒng)發(fā)展相當緩慢 ， 需要用軟件來填補的東西也就越來越多 。 硬件設計人員采用各種手段實現(xiàn)指令系統(tǒng) ，而軟件設計人員則使用這些指令系統(tǒng)編制系統(tǒng)軟件和應用軟件 ， 用這些軟件來填補指令系統(tǒng)與人們習慣的使用方式之間的語義差距 。1 數(shù)據(jù)表示 尋址技術 指令格式的優(yōu)化設計 指令系統(tǒng)的功能設計 RISC指令系統(tǒng) VLIW指令系統(tǒng) 第 2章 指 令 系 統(tǒng) ? 在機器上直接運行的 程序是由指令組成的 。 ? 指令系統(tǒng)是軟件與硬件之間的一個主要分界面 ， 也是他們之間 互相溝通的一座橋梁 。 ? 指令系統(tǒng)設計 必須由軟件設計人員和硬件設計人員共同來完成 。 本章主要內(nèi)容有三大方面： 數(shù)據(jù)表示 尋址技術 指令系統(tǒng)設計 有三種類型的指令系統(tǒng)： CISC：復雜指令系統(tǒng) RISC：精簡指令系統(tǒng) VLIW：超長指令字 指令系統(tǒng)設計： 指令的格式設計 指令系統(tǒng)的功能設計 指令系統(tǒng)的性能評價 數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型 浮點數(shù)的表示方法 浮點數(shù)格式設計 浮點數(shù)的舍入處理 警戒位的設置方法 自定義數(shù)據(jù)表示 數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類型 數(shù)據(jù)表示的定義： 數(shù)據(jù)表示是指計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統(tǒng)直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)類型。分析采用向量數(shù)據(jù)表示 的作用。因此， CPU與主存儲器之間的通信量： 取指令： 2＋ 4 40,000條， 讀或?qū)憯?shù)據(jù)： 3 40,000個， 共要訪問主存儲器： 7 40,000次以上 ? 如果有向量數(shù)據(jù)表示，只需要一條指令。 自定義數(shù)據(jù)表示 一般處理機中的數(shù)據(jù)表示方法 ? 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)，數(shù)據(jù)的屬性通過指令中的操作碼來解釋： ? 數(shù)據(jù)的類型，如定點、浮點、字符、字符串、邏輯數(shù)、向量等； ? 進位制，如 2進制、 10進制、 16進制等； ? 數(shù)據(jù)字長，如字、半字、雙字、字節(jié)等； ? 尋址方式，如直接尋址、間接尋址、相對尋址、寄存器尋址等； ? 數(shù)據(jù)的功能，如地址、地址偏移量、數(shù)值、控制字、標志 等； ? 同一種操作 (如加法 )通常有很多條指令。 ? 數(shù)據(jù)的屬性由數(shù)據(jù)自己定義； ? 在高級語言與機器語言之間的語義差距，要靠編譯器等填補。 ? 標志符由編譯器或其它系統(tǒng)軟件建立，對高級語言程序員透明 ? 程序（包括指令和數(shù)據(jù)）的存儲量分析 數(shù)據(jù)存儲量增加，指令存儲量減少。并 假設一條指令平均訪問兩個操作數(shù)，每個操 作數(shù)平均被訪問 R次。指令總條 數(shù)為 I。 321635153223235230????????RRRIIRIIBBXY1＜XYBB 采用標志符的數(shù)據(jù)長度 標志符 長度 不采用標志符的 指令和數(shù)據(jù)字長 指令 數(shù)據(jù)字長 加長 指 令 字 長 縮 短 數(shù)據(jù) 采用標志符 的指令字長 常規(guī)數(shù)據(jù)表示方法 與 帶標志符數(shù)據(jù)表示方法 的 比較 2. 數(shù)據(jù)描述符表示法 ?對于向量、矩陣、數(shù)組等，每個數(shù)據(jù)的屬性相同，沒有必要都帶標志符。 ?描述符一般單獨存放，獨立占一個存儲單元，描述出一組數(shù)據(jù)的屬性，包括整個數(shù)據(jù)塊的訪問地址、長度等信息。 最高三位為 101時表示數(shù)據(jù)描述符， 最高三位為 000時表示數(shù)據(jù)。 尋址技術 ? 尋找操作數(shù)及其地址的技術稱為尋址技術，是軟件與硬件的一個主要分界面。 ? 主要內(nèi)容： 編址單位、零地址空間個數(shù)、并行存儲器的編址、輸入輸出設備的編址 1. 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 ? 字編址實現(xiàn)最容易，因為每個編址單位與設備的訪問單位相一致，即每個編址單位所包含的信息量與訪問一次設備所獲取的信息量相同。 ? 字節(jié)編址適應非數(shù)值計算的需要，能夠使編址單位與信息的基本單位（一個字節(jié)）相一致。由于編址字長與存儲器的訪問字長不一致，數(shù)據(jù)如何在主存中存放？ 編址方式 ? 編址單位與訪問字長 一般： 字節(jié)編址，字訪問 部分機器：位編址，字訪問 輔助存儲器：塊編址，位訪問 ? 字節(jié)編址字訪問的優(yōu)點： 有利于符號處理 ? 字節(jié)編址字訪問的問題： (1) 地址信息浪費 對于 32位機器，浪費 2位地址 (最低 2位地址 ) 對于 64位機器，浪費 3位地址 (2) 存儲器空間浪費 (3) 讀寫邏輯復雜 (4) 大端 (Big Endin)與小端 (Little Endian)問題 … xx00 字節(jié) 半 字 雙 … xx08 字 單 字 半 … xx10 字 單 字 字節(jié) 單 … xx18 字 字長： 64 位， 8 個字節(jié)(a) 可從任意位置開始訪問不浪費存儲器資源，可能有的四種不同長度的數(shù)據(jù)一個接一個存放。 （ 2）存儲器的讀寫控制比較復雜。然后用地址的低 3位控制一套多路開關從 8個字節(jié)數(shù)據(jù)中 選擇一個。 優(yōu)點：一個存儲周期即可讀出數(shù)據(jù)。 … xx00 字節(jié) 浪 費… xx08 雙 字… xx10 半 字 浪 費… xx18 雙 字… xx20 單 字 浪 費… xx28 雙 字… xx30 字節(jié) 浪 費 單 字… xx38 半 字 浪 費 單 字… xx40 字節(jié) 浪費 半 字字長： 64 位， 8 個字節(jié)(c) 從地址的整倍數(shù)位置開始訪問雙字地址的最末 3個二進制位必須為 000， 單字地址的最末 2個二進制位必須為 00， 半字地址的最末 1個二進制位必須為 0。 缺點：浪費部分存儲器資源，讀寫控制稍復雜。主存與 I/O設備統(tǒng)一編址可以簡化指令系統(tǒng)。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。 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。運算型指令 OPC M 。 ?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。 ? 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。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。 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