1、計算機系統結構第二章 數據表示與指令系統基本要求1.領會數據表示與數據結構的關系，自定義數據表示中標志符數據表示的優點，掌握浮點數的表示方法。2.了解指令系統中三種面向的尋址方式。理解邏輯地址變換成物理地址中所采用的靜態再定位和動態再定位的方法?；穼ぶ泛妥冎穼ぶ返牟顒e。領會信息在主存中按整數邊界存貯的含義、編址要求、存在問題和適用場合。3.熟練掌握等長碼編碼、哈夫曼編碼和擴展操作碼的編碼方法并能針對題目的具體要求設計出比較優化的指令格式。4.了解改進指令系統所要達到的目標以及所采取的思路和辦法。5.了解CISC的問題和RISC的優點。 本章的重點和難點本章的重點是：自定義數據表示；浮點數尾數

2、的基值選擇；數的下溢處理方法；尋址方式中的再定位技術；信息在存貯器中按整數邊界存貯的概念；操作碼和指令字格式的優化；CISC指令系統的改進途徑綜述；RISC概念及所采用的基本技術等。本章的難點是：浮點數尾數基值的選擇；操作碼和指令字格式的優化設計。一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示1 定點數計算機的缺點例如：太陽的重量約為：0.2*1034克； 一個電子的重量約為：0.9*10-27克； 二者相差：1061; 若用定點數表示：2x1061 x203位；無符號長整型：04294967295結論：可表示的數范圍小。一、浮點數據表示一、浮點數據表示0.21034尾數階碼

3、？2 通用計算機浮點數的表示格式2 通用計算機浮點數的表示格式00100100111010.6252147一、浮點數據表示一、浮點數據表示2 通用計算機浮點數的表示格式00100100111010.6252147一、浮點數據表示一、浮點數據表示尾數尾數2 通用計算機浮點數的表示格式00100100111010.6252147一、浮點數據表示一、浮點數據表示尾數尾數尾數階碼2 通用計算機浮點數的表示格式00100100111010.6252147一、浮點數據表示一、浮點數據表示尾數尾數尾數階碼階符2 通用計算機浮點數的表示格式00100100111010.6252147一、浮點數據表示一、浮點數

4、據表示尾數尾數尾數階碼階符數符2 通用計算機浮點數的表示格式0010110011101在不同的計算機上，浮點數的表示方式也不相同。一般地，階碼部分用二進制表示。尾數用幾進制表示，隨機器而異。一、浮點數據表示一、浮點數據表示2 通用計算機浮點數的表示格式0010110011101尾數用二進制表示:（0.10011101）225一、浮點數據表示一、浮點數據表示2 通用計算機浮點數的表示格式0010110011101尾數用十六進制表示:（0.9D）16165一、浮點數據表示一、浮點數據表示001019D2 通用計算機浮點數的表示格式0010110011101尾數用八進制表示：（0.472）885一、

5、浮點數據表示一、浮點數據表示00101472一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示-舉例一、浮點數據表示一、浮點數據表示尾數(16)尾數(10)尾數(2)階碼 00 01 10 11p=2m=4rm=16規格化浮點數11/1600011/1611625622/1600102/1623251233/1600113/1634876844/1601004/16464102455/1601015/16580128066/1601106/16696153677/1601117/167112179288/1610008/168128204899/1610019/1691441304A10/161

6、01010/16101602560B11/16101111/16111762816C12/16110012/16121923072D13/16110113/16132083328E14/16111014/16142243584F15/16111115/16152403840一、浮點數據表示一、浮點數據表示3 浮點數尾數基值的選擇1）表數范圍：隨著rm增大，表數范圍增大；2）表數個數：隨著rm增大，表數個數增大；3）表數精度：隨著rm增大，表數精度降低；4）精度損失：隨著rm增大，精度損失降低；5）運算速度：隨著rm增大，運算速度提高。一、浮點數據表示一、浮點數據表示4.尾數舍入處理1）恒舍法又

7、稱截斷法、必舍法等。優點：容易實現。缺點：累計誤差較大；結論：運算精度要求較高的應用場合，不宜使用。一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示-尾數舍入處理4.尾數舍入處理2）恒置法 恒置法又稱恒置r/2法(r是尾數的基值)，或恒置1法(當尾數基值取2時)，或馮諾依曼法(Von Neumann rounding)。優點：容易實現，積累誤差較小；缺點：損失一位精度，表數精度降低；現狀：廣泛應用于精度要求不太高的各種計算機系統中。一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示-尾數舍入處理4.尾數舍入處理3) 舍入法優點：精度高，積累誤差?。蝗秉c：實現困難（需增設附加位），處理速度慢（連續

8、進位，右規）；現狀：很少使用，主要用于軟件實現的浮點運算中。一、浮點數據表示一、浮點數據表示一、浮點數據表示-尾數舍入處理4.尾數舍入處理4）查表法優點：速度快，平均誤差可調節到0。缺點：硬件開銷加大。現狀：逐漸普遍使用。一、浮點數據表示一、浮點數據表示二、信息在主存中按整數邊界存儲二、信息在主存中按整數邊界存儲二、尋址方式1. 三種面向的尋址方式： 面向寄存器、面向堆棧和面向主存的尋址方式。2. 邏輯地址與物理地址 邏輯地址：程序員編寫程序時所用到的地址，如內存變量、程序標號； 物理地址：程序在主存中的實際地址。二、信息在主存中按整數邊界存儲二、信息在主存中按整數邊界存儲二、尋址方式3. 程

9、序在主存中的定位技術 程序裝入物理主存進行定位時，需要進行邏輯地址空間到物理地址空間的映象和變換。程序定位所采用的技術有靜態再定位和動態再定位兩種。 程序的靜態再定位是在目的程序裝入主存時，通過調用系統配備的裝入程序，把目的程序的邏輯地址用軟件的方法逐一修改成物理地址。程序執行時，物理地址就不能再改變了。 二、信息在主存中按整數邊界存儲二、信息在主存中按整數邊界存儲二、尋址方式3. 程序在主存中的定位技術 動態再定位的一種方法是：設置基址寄存器和地址加法器硬件，在程序裝入主存時，只將裝入主存的起始地址存入該道程序的基址寄存器中即可，指令的地址字段不作修改。程序在執行過程中，不斷將邏輯地址經地址

10、加法器加上基址寄存器中的基址，才形成物理地址訪存。 動態再定位技術的進一步發展是采用映象表來進行地址的映象和變換，它可以使每個用戶在機器上運行比實際主存容量大得多的程序。二、信息在主存中按整數邊界存儲二、信息在主存中按整數邊界存儲二、尋址方式二、二、信息在主存中按整數邊界存儲定義：各種長度的信息在主存中存放的首地址必須是該信息寬度的整數倍。分析：左圖：存儲空間充分利用，但訪問速度慢； 右圖：浪費存儲空間，但訪問速度快。現狀：信息在主存中按整數邊界存儲的方式被廣泛應用。4 信息在主存中按整數邊界存儲各種長度的信息在主存中存放的首地址必須是該信息寬度的整數倍01234567891011121314

11、1516171819202122232425262728293031二、二、信息在主存中按整數邊界存儲三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計目的和任務：如何用最短的位數來表示指令的操作信息和地址信息，使指令的平均字長最短?？s短指令的長度縮短程序的長度減少程序的存儲空間減少讀取指令的時間減少指令的譯碼時間三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計猜一猜哪個國家奪得了大力神杯？中國中國古巴古巴葡萄牙葡萄牙西班牙西班牙智利智利朝鮮朝鮮德國德國巴西巴西牙買加牙買加加納加納巴拉圭巴拉圭墨西哥墨西哥法國法國英格蘭英格蘭意大利意大利韓國韓國伊朗伊朗瑞典瑞典

12、喀麥隆1 操作碼的優化指令I1I2I3I4I5I6I7使用頻度（pi） 0.40.30.150.050.040.030.03三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計H=-pilog2pi=2.17等長碼的信息冗余=實際編碼平均長度-H實際編碼平均長度3-2.173=27.7%1 操作碼的優化指令I1I2I3I4I5I6I7使用頻度(pi)0.40.30.150.050.040.030.03三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計目前已經找到的可以使得平均碼長最短的編碼是哈夫曼編碼。哈夫曼編碼的信息冗余=實際編碼平均長度-H實際編碼平均長度2.2-2.172.2=1.36%指令使用頻度編

13、碼編碼長度I10.401I20.3102I30.151103I40.05111005I50.04111015I60.03111105I70.03111115三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計1 操作碼的優化 哈夫曼編碼的缺點：譯碼困難三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計1 操作碼的優化實用的操作碼編碼應當采用擴展操作碼編碼。它限定使用少數幾種碼長；使用頻度高的用短碼、使用頻度低的用長碼。長碼在沒有使用的短碼的基礎上擴展得到。短碼都不能是長碼的前綴指令 使用頻度 編碼編碼長度I10.4002I20.3012I30.15102I40.0511003I50.0411013I60.0

14、311103I70.0311113三、指令格式的優化設計三、指令格式的優化設計1 操作碼的優化平均碼長=2.3信息冗余=5.65%只有兩種碼長。嗯，比較實用！2、操作碼優化舉例例1 某機有10條指令，使用頻度分別為0.01，0.15，0.12，0.07，0.08，0.13，0.15，0.03，0.17，0.09。 (1)計算用等長操作碼編碼的平均碼長； (2)構造Huffman樹； (3)寫出Huffman的一種編碼，并計算其平均碼長； (4)只有二種碼長，求平均碼長最短的擴展操作碼編碼及其平均碼長。2、操作碼優化舉例例2 (1)采用Huffman或擴展操作碼編碼時，要求短碼與長碼要符合什么樣

15、的原則，才使解(譯)碼唯一?(2)某機指令字長16位，共有單地址指令和雙地址指令二類，若每個地址字段均為5位，且雙地址指令已用了X條，問單地址指令最多可以有多少條?在操作碼優化過的基礎之上，再在地址碼和尋址方式上采取相關的措施，就可以減少程序的總位數，使指令字格式達到優化。指令字格式優化的措施概括起來包括以下幾點：(1) 采用擴展操作碼，并根據指令的頻度的分布狀況，選擇合適的編碼方式，以縮短操作碼的平均碼長。(2) 采用諸如基址、變址、相對、寄存器、寄存器間接、段式存放、隱式指明等多種尋址方式，以縮短地址碼的長度。3.指令字格式優化的措施(3) 采用0、1、2、3等多種地址制，以增強指令的功能

16、，且讓常用的短操作碼與多個地址字段相配合。(4) 在同種地址制內再采用多種地址形式，如寄存器-寄存器、寄存器-主存、主存-主存等，讓每種地址字段可以有多種長度，且讓長操作碼與短地址碼進行組配。(5) 在維持指令字在存貯器中按整數邊界存貯的前提下，使用多種不同的指令字長度。 3.指令字格式優化的措施四、自定義數據表示四、自定義數據表示1.數據結構與數據表示的關系數據結構反映了應用中要用到的各種數據元素之間的結構關系，是軟硬功能分配中軟的方面。數據表示是機器硬件能直接識別，并能在機器上直接對其操作的數據類型，表現在它能有對這種類型的數據進行操作的指令和運算部件。數據結構是要通過軟件映象，變換成機器

17、中所具有的數據表示來實現的。 在進行軟件和硬件的功能分配時，計算機系統結構設計應考慮在機器中設置哪些數據表示，使之能對應用中用到的數據結構有高的實現效率。在定點、浮點、邏輯、十進制、字符串等基本數據表示的基礎之上，根據應用的需要，應考慮在機器中引入哪些高級的數據表示，以便能為數據的實現提供更好的支持。高級語言：數據類型不同，運算符公用 float a,b,c; c=a+b;機器語言程序：與高級語言程序相反，用操作碼指明操作數的類型。 Fadd c,a,b;自定義數據表示：為縮短高級語言和機器語言的語義差距。有帶標志符的數據表示和帶數據描述符的數據表示兩類。 2.自定義數據表示1）帶標志符數據表

18、示是讓數據字本身帶有數據或信息的類型標志； 標志符由編譯程序建立，對高級語言源程序應設計成透明的。 這樣，機器語言程序中的操作碼與高級語言程序中的運算符一樣，可以通用于各種數據類型的操作了。 2.自定義數據表示類型標志數據值采用標志符數據表示的優點：可以簡化編譯程序，提高編譯效率；簡化指令系統和程序設計；便于實現數據類型的一致性校驗；能由硬件自動完成對數據類型的轉換，縮短解題的時間；支持數據庫系統要求其實現與數據類型無關的要求；為軟件調試和應用軟件的開發提供一定的支持。四、數據表示應用范圍仍在擴大！2.自定義數據表示四、數據表示采用標志符數據表示可能存在的問題：會因增設了標志符字段而增加一部分

19、存貯空間開銷。但只要合理地設計，共增加量是不會很大的，甚至還會因指令操作碼的縮短、編譯程序的縮短等，使存貯空間總的開銷有所減少。采用標志符數據表示后，雖會增加單條指令的執行時間，但程序編寫和調試所用時間的縮短，有可能使宏觀解題時間的總開銷減少。2.自定義數據表示四、數據表示2）數據描述符主要用于描述向量、數組、記錄等成塊的數據。它與標志符數據表示的差別是：標志符與數據合存于一個存貯單元中，用于描述單個數據的類型和屬性；描述符則是與數據分開存放的，它主要用于描述成塊數據的特征。 2.自定義數據表示四、數據表示以B6700為例，其數據描述符和數據的形式分別如下圖所示：101各種標志符長度地址000

20、數據描述符描述數據的特性數據塊內首元素的地址塊內元素個數優點：一條指令可操作塊內所有元素。2.自定義數據表示四、數據表示3) 向量數組數據表示與向量處理機 向量、數組數據表示，為向量、數組數據結構的實現和運算提供了更多的硬件支持，硬件上設置有豐富的向量或陣列(數組)運算類指令，配有流水線或處理單元陣列等高速的運算部件，直接高效地支持對向量、數組的運算。 向量處理機就是有向量數據表示的處理機。標量處理機：經常用循環；向量處理機：很少用循環；2.自定義數據表示四、數據表示4) 堆棧數據表示與堆棧計算機 為支持子程序調用和表達式的編譯，發展出了面向以堆棧操作為主，有堆棧數據表示的堆棧計算機，或稱為堆

21、棧機器。它與只有簡單的軟堆棧(在主存中開辟一個堆棧區)和少量功能簡單的堆棧指令(如PUSH、POP指令)的通用寄存器型機器是不同的。 堆棧計算機表現于它有由高速寄存器組成的硬件堆棧，使堆棧操作的速度極高；有豐富的堆棧操作指令(多達數十條)，能直接用堆棧進行復雜的運算和處理；2.自定義數據表示四、數據表示5) 確定和引入數據表示的原則 在系統中，確定和引入數據表示時，除了基本的數據表示應該有之外，對某些高級數據表示是否需要引入，主要應看兩條基本原則：一是看引入后，系統效率是否顯著提高，即是否顯著減少了實現時間和所需的存貯空間；二是看引入的數據表示，其通用性和利用率是否較高。2.自定義數據表示五、

22、按增強指令功能的方向發展與改進指令系統出發點：如何進一步增強原有指令的功能以及設置更為復雜的新指令來取代原先由軟件子程序完成的功能，實現軟件功能的硬化（CISC）。它可以從面向機器語言目標程序的優化實現、面向高級語言的優化實現和面向操作系統的優化實現三個方面來改進。改進目標： 希望普遍提高包括系統軟件和應用軟件在內的各種機器語言目標程序的實現效率，即縮短目標程序的長度，加快目標程序的執行速度，并使實現起來方便可行。改進途徑： (1)通過統計機器語言目標程序中各種指令和指令串的使用頻度（動態和靜態）來改進。對高頻的指令可以增強其功能，加快其執行速度，縮短其指令字長；對頻度很低的指令可將其功能合并

23、到某些高頻的指令中去。 (2)將常用的子程序實現的功能改成強功能復合指令，由微程序來解釋實現。1 面向目標程序的改進改進目標：縮短高級語言和機器語言的語義差距，這樣可以縮短編譯程序的長度和節省編譯所需的時間。改進途徑： (1)統計高級語言源程序的語句使用頻度，增設與高頻語句的語義差別小的新指令。 (2)面向編譯來改進指令。2 面向高級語言的改進改進途徑： (3)讓指令改進后，使它與各種高級語言之間的語義差都有同等程度的縮小。 (4)設計有分別面向各種高級語言優化實現的多種指令系統，并讓他們能動態地切換，發展自適應系統。 (5)發展高級語言計算機(高級語言機器)。高級語言機器是不需要編譯即可運行高級語言程序的計算機。2 面向高級語言的改進五、按增強指令功能的方向發展與改進指令系統改進目標： 縮短操作系統與計算機系統結構之間的語義差距，減少運行操作系統的時間和節省操作系統軟件所占用的存貯空間。改進途徑： (1)通過統計操作系統中的指令和指令串的使用頻度來改進。 (2)增設專用于操作系統的新指令。 3 面向操作系統優化實現改進的目標和途