【正文】 一般的指令主要由兩部分組成： 操作碼和地址碼 地址碼通常包括三部分內容： 地址： 地址碼、立即數(shù)、寄存器、變址寄存器 地址的附加信息： 偏移量、塊長度、跳距 尋址方式： 直接尋址、間接尋址、立即數(shù)尋址、變址尋址、相對尋址、寄存器尋址 操作碼 ( OPC ) 地址碼 ( A ) ? 操作碼主要包括兩部分內容： ?操作種類： 加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位、轉移、輸入輸出、程序控制、處理機控制等 ?操作數(shù)描述： 數(shù)據(jù)的類型： 定點數(shù)、浮點數(shù)、復數(shù)、字符、字符串、邏輯數(shù)、向量 進位制： 2進制、 10進制、 16進制 數(shù)據(jù)字長： 字、半字、雙字、字節(jié) 操作碼的優(yōu)化表示 操作碼的三種編碼方法： 固定長度、 Huffman編碼、擴展編碼 優(yōu)化操作碼編碼的目的： 節(jié)省程序存儲空間 例如： Burroughs公司的 B1700機 操作碼編碼方式 整個操作系統(tǒng)所用 指令的操作碼總位數(shù) 改進的百分比 8 位 固 定長編碼 301,248 0 4 6 10 擴展編碼 184,966 39 ％ Huffman 編碼 172,346 43 ％ 1. 固定長操作碼 ? 定長定域 ： IBM公司的大中型機：最左邊 8位為操作碼 Intel公司的 Intanium處理機： 14位定長操作碼 許多 RISC處理機采用定長操作碼 ? 主要優(yōu)點 ： 規(guī)整 譯碼簡單 ? 主要缺點 ： 浪費信息量 （操作碼的總長位數(shù)增加） H p piini? ? ??? 21lo g2. Huffman編碼法 1952年由 Huffman首先提出 ? 操作碼的 最短平均長度 可通過如下公式計算： pi表示第 i種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 ? 固定長編碼的 信息冗余量 ： ? 必須知道每種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率 ? ? R p p n i i i n ? ? ? ? ? 1 2 1 2 log log 指令序號 I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 I 6 I 7 出現(xiàn)的概率 例 ： 假設一臺模型計算機共有 7種不同的操作碼，如果采用固定長操作碼需要 3位。 例 ： ? 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 （又稱最小概率合并法） ?把所有指令按照操作碼在程序中出現(xiàn)的概率大小，自左向右順序排列。 ?在新結點集合中選取兩個概率最小的結點進行合并，如此繼續(xù)進行下去，直至全部結點合并完畢。 ?每個 新 結點都有兩個分支，分別用帶有箭頭的線表示，并分別用一位代碼 “ 0”和 “ 1”標注。 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0. 05 利用 Huffman樹進行操作碼編碼 Huffman操作碼編碼 指令序號 出現(xiàn)的概率 Huffman 編碼法 操作碼長度 I 1 0 1 位 I 2 1 0 2 位 I 3 1 1 0 3 位 I 4 1 1 1 0 4 位 I 5 1 1 1 1 0 5 位 I 6 1 1 1 1 1 0 6 位 I 7 1 1 1 1 1 1 6 位 H p li ii? ???17????? 71 2logiii ppH解：采用 Huffman編碼法的操作碼平均長度為： ＝ 1＋ 2＋ 3＋ 4＋ 5＋ 6＋ 6 ＝ （位） 操作碼的最短平均長度為： ＝ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＋ ＝ （位） R ? ? ?1 1 951 97 1 0%.. .? 采用 3位固定長操作碼的信息冗余量為： ? Huffman編碼法的信息冗余量僅為： 與 3位固定長操作碼的信息冗余量 35％相比要小得多 ? ? % 35 3 97 . 1 1 7 log 1 2 ? ? ? ? ? H R R ? ? ?1 1 952 00 2 5%.. .3. 擴展編碼法 ? Huffman操作碼的主要缺點： 操作碼長度很不規(guī)整，硬件譯碼困難 與地址碼共同組成固定長的指令比較困難 ? 擴展編碼法 ： 由固定長操作碼與 Huffman編碼法相結合形成 例 ：（ P94） 將例 1235擴展編碼法，操作碼最短平均長度為： H＝ 1＋ 2＋ 3 ＋ (＋ ＋ ＋ ) 5＝ 信息冗余量為： R ? ? ?1 1 952 20 11 4%.. .例 ： 將例 24等長擴展編碼法，操作碼最短平均長度為： H＝ (＋ ＋ ) 2 ＋ (＋ ＋ ＋ ) 4 ＝ ? 24等長擴展編碼法信息冗余量為： 7 條指令的操作碼擴展編碼法指令序號 出現(xiàn)的概率 1235 擴展編碼 24 等長擴展編碼I1 0 0 0I2 1 0 0 1I3 1 1 0 1 0I4 1 1 1 0 0 1 1 0 0I5 1 1 1 0 1 1 1 0 1I6 1 1 1 1 0 1 1 1 0I7 1 1 1 1 1 1 1 1 1平均長度 信息冗余量 ％ ％操作碼 等長擴展編碼法 操作碼編碼 說 明 操作碼編碼 說 明 0000 0001 …… 1110 4 位長度的 操作碼共 15 種 0000 0001 …… 0111 4 位長度的 操作碼共 8 種 1111 0000 1111 0001 …… 1111 1110 8 位長度的 操作碼共 15 種 1000 0000 1000 0001 …… 1111 0111 8 位長度的 操作碼共 64 種 1111 1111 0000 1111 1111 0001 …… 1111 1111 1110 12 位長度的 操作碼共 16 種 1000 1000 0000 1000 1000 0001 …… 1111 1111 0111 12 位長度的操 作碼共 512 種 等長 15/15/15 ……擴展法 等長 8/64/512 ……擴展法 地址碼的優(yōu)化表示 1. 地址碼個數(shù)的選擇 地址碼個數(shù)通常有 3個、 2個、 1個及０個 等 4種情況 評價指令中地址碼個數(shù)應該取多少的標準主要有兩個： 程序存儲容量 ，包括操作碼和地址碼 程序執(zhí)行速度 ，以程序執(zhí)行過程中訪問主存的信息量代表 通過一個典型例子來分析： fedcbax?????例如：計算一個典型的算術表達式 : ?用三地址指令編寫的程序如下： MUL X, A, B 。X←(X) ＋ (C) SUB X, X, D 。計算分母 ,存入 Y DIV X, X, Y 。復制臨時變量到 X中 MUL X, B ADD X, C SUB X, D 。復制臨時變量到 Y中 ADD Y, F 。最后結果在 X單元中 ?用多寄存器結構的二地址指令編寫程序： MOVE R1, A 。R1中存放分子運算結果 MOVE R2, E ADD R2, F 。最后結果在 R1中 MOVE X, R1 。先計算分母， 。分母運算結果在累加器中 STORE X 。開始計算分子 MUL B ADD C SUB D 。最后運算結果在累加器中 STORE X 。操作數(shù) a壓入堆棧 PUSH B 。棧頂兩數(shù)相乘 ,結果壓回堆頂 PUSH C ADD PUSH D SUB 。棧頂是最后運算的結果 POP X 。并?。?D ＝ 2A ＝ 8P ＝ 16R ＝ 8B 不同地址個數(shù)指令 的特點及適用場合 地址數(shù)目 程序 的長度 程序 存儲量 程序 執(zhí) 行速度 適用場合 三地址 最短 最大 一般 向量，矩陣運算為主 二地址 較短 很大 很低 一般不宜采用 一地址 較長 較大 較快 連續(xù)運算 , 硬件結構簡單 零地址 最長 最小 最低 嵌套，遞歸，變量較多 二地址 寄存器型 一般 最小 最快 多累加器，數(shù)據(jù)傳送較多 ? 關于地址碼個數(shù)結論： ?對于一般商用處理機，采用多寄存器結構的二地址指令是最理想的。 ?對于以向量、矩陣運算為主的處理機，最好采用三地址結構。 ?對于解決遞歸問題為主的處理機，宜采用零地址結構。 2. 縮短地址碼長度的方法 用一個短地址碼表示一個大地址空間 ? 用間址尋址方式縮短地址碼長度 方法：在主存儲器的低端開辟一個專門存放間接地址的區(qū)域 ? 用變址尋址方式縮短地址碼長度 變址尋址方式中的地址偏移量比較短， ? 用寄存器間接尋址方式縮短地址碼長度 例如： 16個間址寄存器，用 4位地址碼就能表示很長的邏輯地址空間。 ? 32個浮點數(shù)寄存器， F0,F1…,F31 。 指令格式設計舉例 指令系統(tǒng)的功能設計 完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性 通用計算機必須有 5類基本指令 指令系統(tǒng)的優(yōu)化設計 CISC、 RISC和 VLIW 指令系統(tǒng)的性能 完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性 1. 完整性是指應該具備的基本指令種類 如： 通用計算機必須有５類基本指令 數(shù)據(jù)傳送類、運算類、程序控制、輸入輸出指令、處理機控制和調試指令 2. 規(guī)整性包括對稱性和均勻性 對稱性： 各種與指令系統(tǒng)有關的數(shù)據(jù)存儲設備的使用、操作碼的設置等都要對稱。如 AB與BA 均勻性： 對于各種不同的數(shù)據(jù)類型、字長、存儲設備、操作種類，指令的設置要同等對待。 4. 兼容性： 在同一系列機內，指令系統(tǒng)，包括尋址方式和數(shù)據(jù)表示等保持基本不變； 可以適當增