計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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)2.1數(shù)據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)2.5RISC指令系統(tǒng)2.1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2.1.1數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)類(lèi)型2.1.2浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法2.1.3自定義數(shù)據(jù)表示2.1.1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。

定點(diǎn)、邏輯、浮點(diǎn)、十進(jìn)制、字符、字符串、堆棧和向量數(shù)據(jù)類(lèi)型：文件、圖、表、樹(shù)、陣列、隊(duì)列、鏈表、棧、向量、串、實(shí)數(shù)、整數(shù)、布爾數(shù)、字符等。確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型用數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問(wèn)題。確定數(shù)據(jù)表示的原則：

1.縮短程序的運(yùn)行時(shí)間

2.減少CPU與主存儲(chǔ)器之間的通信量

3.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

如：矩陣、樹(shù)、圖、表及自定義數(shù)據(jù)表示等2.1.2浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法1、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。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)1.原碼、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(chóng)的真值。結(jié)論2:對(duì)于負(fù)數(shù)來(lái)說(shuō)，[x]原=1+x的真值[x]反=1+x的真值的每一位求反[x]補(bǔ)=1+x的真值的每一位求反，最后一位加12.移碼十進(jìn)制值 補(bǔ)碼 移碼 十進(jìn)制值 補(bǔ)碼 移碼+7 0111 1111 -1 1111 0111+6 0110 1110 -2 1110 0110+5 0101 1101 -3 1101 0101+4 0100 1100 -4 1100 0100+3 0011 1011 -5 1011 0011+2 0010 1010 -6 1010 0010+1 0001 1001 -7 1001 00010 0000 1000 -8 1000 0000由[x]補(bǔ)得到[x]移的方法是變[x]補(bǔ)的符號(hào)位為其反碼。最高一位為符號(hào)位，1代表正號(hào)，0代表負(fù)號(hào)。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。0.5可表示為0.05*101,50*10-2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)。尾數(shù)用補(bǔ)碼表示，最高位與符號(hào)位不等，稱(chēng)之為規(guī)格化數(shù)。尾數(shù)的符號(hào)位表示整個(gè)數(shù)的正負(fù)。階碼的符號(hào)位表示把尾數(shù)擴(kuò)大(縮小)N倍。2.1.2浮點(diǎn)數(shù)的設(shè)計(jì)方法1、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。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)兩個(gè)基值：

rm：尾數(shù)的基值，2進(jìn)制、4進(jìn)制、8進(jìn)制、16進(jìn)制和10進(jìn)制等

re：階碼的基值，通常為2兩個(gè)字長(zhǎng)：

p：尾數(shù)長(zhǎng)度，當(dāng)rm＝16時(shí)，每4個(gè)二進(jìn)制位表示一位尾數(shù)

q：階碼長(zhǎng)度，階碼部分的二進(jìn)制位數(shù)

p和q均不包括符號(hào)位浮點(diǎn)數(shù)的存儲(chǔ)式

注：mf為尾數(shù)的符號(hào)位，ef為階碼的符號(hào)位，e為階碼的值，m為尾數(shù)的值。2、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mfefem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2.1：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。

上溢上溢下溢（浮點(diǎn)零）－NminNmax-NmaxNmin0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2.3：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：在負(fù)數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是：6、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。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。采用小數(shù)表示能簡(jiǎn)化運(yùn)算，特別是乘除法運(yùn)算。

階碼：一般機(jī)器都采用整數(shù)、移碼表示。采用移碼表示的主要原因是：浮點(diǎn)0與機(jī)器0一致。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(wèn)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2.5：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(chēng)，表數(shù)精度不低于10-16。解：根據(jù)表數(shù)范圍的要求：

解這個(gè)不等式： 取階碼字長(zhǎng)q＝7

根據(jù)表數(shù)精度的要求，得到：

解這個(gè)不等式： 由于浮點(diǎn)數(shù)的字長(zhǎng)通常為8的倍數(shù)，因此，取尾數(shù)字長(zhǎng)p＝55，總的字長(zhǎng)為1+1+7+55=64，浮點(diǎn)數(shù)格式如下：1位1位7位55位mfefem所設(shè)計(jì)浮點(diǎn)數(shù)格式的主要性能如下： 最大尾數(shù)值： 絕對(duì)值最小的尾數(shù)值： 最大階碼： 最小階碼： 最大正數(shù)：

最小正數(shù)： 最大負(fù)數(shù)： 最小負(fù)數(shù)： 表數(shù)精度： 浮點(diǎn)零：浮點(diǎn)零與機(jī)器零相同，64位全為0

表數(shù)效率：采用隱藏位，表數(shù)效率=100%

練習(xí)題： 2.62.10 2.14 2.15計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第6講）

第二章指令系統(tǒng)2.1數(shù)據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)2.5RISC指令系統(tǒng)2.2尋址技術(shù)尋找操作數(shù)及其他信息的地址的技術(shù)稱(chēng)為尋址技術(shù)內(nèi)容：編址方式、尋址方式和定位方式對(duì)象：寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧

和輸入輸出設(shè)備方法：分析各種尋址技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，

如何選擇和確定尋址技術(shù) 2.2.1編址方式 2.2.2尋址方式 2.2.3定位方式重點(diǎn)是尋址方式的選擇方法2.2.1編址方式編址方式是指對(duì)各種存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行編碼的方法。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)1、編址單位常用的編址單位：字編址、字節(jié)編址、位編址、塊編址等編址單位與訪(fǎng)問(wèn)字長(zhǎng)

一般：字節(jié)編址，字訪(fǎng)問(wèn)

部分機(jī)器：位編址，字訪(fǎng)問(wèn)

輔助存儲(chǔ)器：塊編址字節(jié)編址字訪(fǎng)問(wèn)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(xiě)邏輯稍復(fù)雜

0字節(jié)位置引起的問(wèn)題2、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(méi)有零地址空間：堆棧、Cache等3、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(lái)區(qū)分，適用于被編址的接口寄存器的長(zhǎng)度比較短?！跋赂ā彪[含編址方式，必須按順序讀寫(xiě)寄存器。一臺(tái)設(shè)備多個(gè)地址。對(duì)編程增加困難4、并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)高位交叉編址

主要目的是用來(lái)擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量。低位交叉編址

主要目的是提高存儲(chǔ)器速度。2.2.2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。主要內(nèi)容：設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法1、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 M2、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(wèn)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2.7：一個(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。不必考慮可能出現(xiàn)的存儲(chǔ)單元的重疊問(wèn)題。為了編程簡(jiǎn)單，采用一般的兩地址指令編寫(xiě)程序。解：用間接尋址方式編寫(xiě)程序如下：

start: move asr, asi ;保存源數(shù)組的起始地址

move adr, adi ;保存目標(biāo)數(shù)組起始地址

move num, cnt ;保存數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)

loop: move @asi, @adi ;用間址尋址方式傳送數(shù)據(jù)

inc asi ;源數(shù)組的地址增量

inc adi ;目標(biāo)數(shù)組的地址增量

dec

cnt ;個(gè)數(shù)減1

bgt loop ;測(cè)試n個(gè)數(shù)據(jù)是否傳送完

halt ;停機(jī)

asr: as ;源數(shù)組的起始地址

adr: ad ;目標(biāo)數(shù)組的起始地址

num: n ;需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

asi: 0 ;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2.7：一個(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。不必考慮可能出現(xiàn)的存儲(chǔ)單元的重疊問(wèn)題。為了編程簡(jiǎn)單，采用一般的兩地址指令編寫(xiě)程序。解：用間接尋址方式編寫(xiě)程序如下：

start: move asr, asi ;保存源數(shù)組的起始地址

move adr, adi ;保存目標(biāo)數(shù)組起始地址

move num, cnt ;保存數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)

loop: move @asi, @adi ;用間址尋址方式傳送數(shù)據(jù)

inc asi ;源數(shù)組的地址增量

inc adi ;目標(biāo)數(shù)組的地址增量

dec

cnt ;個(gè)數(shù)減1

bgt loop ;測(cè)試n個(gè)數(shù)據(jù)是否傳送完

halt ;停機(jī)

asr: as ;源數(shù)組的起始地址

adr: ad ;目標(biāo)數(shù)組的起始地址

num: n ;需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

asi: 0 ;當(dāng)前正在傳送的源數(shù)組地址

adi: 0 ;當(dāng)前正在傳送的源數(shù)組地址

cnt: 0 ;剩余數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)用變址尋址方式編寫(xiě)程序如下：

start: move as, x ;源數(shù)組起址送變址寄存器

move num, cnt ;保存數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，保證再入性

loop: move (x), ad-as(x) ;ad-as位地址偏移量，

;在匯編時(shí)計(jì)算

inc x ;增量變址寄存器

dec

cnt ;個(gè)數(shù)減1

bgt loop ;測(cè)試n個(gè)數(shù)據(jù)是否傳送完成

halt ;停機(jī)

num: n ;需要傳送的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

cnt: 0 ;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(xiě)的程序簡(jiǎn)單、易讀。

對(duì)于程序員，兩種尋址方式的主要差別是：

間址尋址方式：間接地址在主存儲(chǔ)器中，

沒(méi)有偏移量

變址尋址方式：基地址在變址寄存器中，

有偏移量

實(shí)現(xiàn)的難易程度：間址尋址方式容易

指令的執(zhí)行速度：間址尋址方式慢

對(duì)數(shù)組運(yùn)算的支持：變址尋址方式比較好自動(dòng)變址：

在訪(fǎng)問(wèn)間接地址過(guò)程中，地址自動(dòng)增減變址與間址混合時(shí)，兩種方式：

前變址尋址方式：EA＝((X)＋A)

后變址尋址方式：EA＝(X)＋(A)3、寄存器尋址主要優(yōu)點(diǎn)：指令字長(zhǎng)短、指令執(zhí)行速度快、支持向量和矩陣運(yùn)算主要缺點(diǎn)：不利于優(yōu)化編譯、現(xiàn)場(chǎng)切換困難、硬件復(fù)雜4、堆棧尋址方式主要優(yōu)點(diǎn)：支持高級(jí)語(yǔ)言，有利與編譯程序；節(jié)省存儲(chǔ)空間 支持程序的嵌套和遞歸調(diào)用，

支持中斷處理主要缺點(diǎn)：運(yùn)算速度比較低，棧頂部分設(shè)計(jì)成一個(gè)高速的寄存器堆2.2.3定位方式程序的主存物理地址在什么時(shí)間確定？

采用什么方式來(lái)實(shí)現(xiàn)？程序需要定位的主要原因：程序的獨(dú)立性；程序的模塊化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在程序運(yùn)行過(guò)程中，其大小往往是變化的；有些程序本身很大，大于分配給它的主存物理空間直接定位方式：在程序裝入主存儲(chǔ)器之前，程序中的指令和數(shù)據(jù)的主存物理就已經(jīng)確定了的稱(chēng)為直接定位方式。靜態(tài)定位：在程序裝入主存儲(chǔ)器的過(guò)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(chēng)為靜態(tài)定位方式。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。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第7講）

第二章指令系統(tǒng)2.1數(shù)據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)2.5RISC指令系統(tǒng)2.3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 2.3.1指令的組成 2.3.2操作碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.3.3地址碼的優(yōu)化設(shè)計(jì) 2.3.4指令格式設(shè)計(jì)舉例2.3.1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(lèi)：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(lèi)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2.3.2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B-1700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4-6-10擴(kuò)展編碼Huffman編碼301,248184,966172,346039％43％2、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(guò)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：例2.6：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。已知各種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率如下表，計(jì)算采用Huffman編碼法的操作碼平均長(zhǎng)度，并計(jì)算固定長(zhǎng)操作碼和Huffman操作碼的信息冗余量。

利用Huffman樹(shù)進(jìn)行操作碼編碼的方法，又稱(chēng)為最小概率合并法。指令I(lǐng)1概率0.45I20.30I30.15I40.05I50.03I60.01I70.011. 把所有指令按照操作碼在程序中出現(xiàn)的概率，自左向右從排列好。2. 選取兩個(gè)概率最小的結(jié)點(diǎn)合并成一個(gè)概率值是二者之和的新結(jié)點(diǎn)，并把這個(gè)新結(jié)點(diǎn)與其它還沒(méi)有合并的結(jié)點(diǎn)一起形成新結(jié)點(diǎn)集合。3. 在新結(jié)點(diǎn)集合中選取兩個(gè)概率最小的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行合并，如此繼續(xù)進(jìn)行下去，直至全部結(jié)點(diǎn)合并完畢。4. 最后得到的根結(jié)點(diǎn)的概率值為1。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。6. 從根結(jié)點(diǎn)開(kāi)始，沿尖頭所指方向，到達(dá)屬于該指令的概率結(jié)點(diǎn)，把沿線(xiàn)所經(jīng)過(guò)的代碼組合起來(lái)得到這條指令的操作碼編碼。解：采用Huffman編碼法所得到的操作碼的平均長(zhǎng)度

＝0.45×1＋0.30×2＋0.15×3＋0.05×4

＋0.03×5＋0.01×6＋0.01×6＝1.97（位）采用最優(yōu)Huffman編碼法，操作碼的最短平均長(zhǎng)度

＝0.45×1.152＋0.30×1.737＋0.15×2.737

＋0.05×4.322＋0.03×5.059＋0.01×6.644

＋0.01×6.644＝1.95（位）0.450.300.150.050.030.010.011.000.550.02010101010101指令序號(hào)概率Huffman編碼法操作碼長(zhǎng)度I10.4501位I20.30102位I30.151103位I40.0511104位I50.03111105位I60.011111106位I70.0111111116位采用3位固定長(zhǎng)操作碼的信息冗余量為：Huffman編碼法的信息冗余量?jī)H為：與3位定長(zhǎng)操作碼的冗余量35％相比要小得多3、擴(kuò)展編碼法Huffman操作碼的主要缺點(diǎn)：

操作碼長(zhǎng)度很不規(guī)整，硬件譯碼困難

與地址碼共同組成固定長(zhǎng)的指令比較困難擴(kuò)展編碼法：由固定長(zhǎng)操作碼與Huffman編碼法相結(jié)合形成

例如：例2.7改為1-2-3-5擴(kuò)展編碼法，其操作碼最短平均長(zhǎng)度為：

H = 0.45×1＋0.30×2＋0.15×3＋

(0.05＋0.03＋0.01＋0.01)×5

= 2.00

信息冗余量為：

又例如：例2.7改為2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼法，其操作碼最短平均長(zhǎng)度為：

H = (0.450.30+0.15)2+

(0.05+0.03+0.01+0.01)4

= 2.20

信息冗余量為：序號(hào)概率1-2-3-5擴(kuò)展編碼I10.450I20.3010I30.15110I40.0511100I50.0311101I60.0111110I70.01111112-4等長(zhǎng)擴(kuò)展編碼0001101100110111101111平均長(zhǎng)度2.02.2信息冗余量2.5%11.4%7條指令的操作碼擴(kuò)展編碼法操作碼編碼說(shuō)明00000001……11104位長(zhǎng)度的操作碼共15種等長(zhǎng)15/15/15……擴(kuò)展編碼法1111000011110001……111111108位長(zhǎng)度的操作碼共15種111111110000111111110001……11111111111012位長(zhǎng)度的操作碼共16種指令序號(hào)概率Huffman編碼法操作碼長(zhǎng)度I10.4501位I20.30102位I30.151103位I40.0511104位I50.03111105位I60.011111106位I70.0111111116位采用3位固定長(zhǎng)操作碼的信息冗余量為：操作碼編碼說(shuō)明00000001……01114位長(zhǎng)度的操作碼共8種等長(zhǎng)8/64/512……擴(kuò)展編碼法1000000010000001……111101118位長(zhǎng)度的操作碼共64種100010000000100010000001……11111111011112位長(zhǎng)度的操作碼共512種編碼方法不等長(zhǎng)操作碼(4/6/10)擴(kuò)展編碼法4位指令操作碼的長(zhǎng)度6位10位指令

種類(lèi)15/3/1615316348/31/1683116558/30/3283032708/16/2568162562804/32/2564322562922.3.4指令格式設(shè)計(jì)舉例指令的長(zhǎng)度：有固定長(zhǎng)度和可變長(zhǎng)度兩種操作碼長(zhǎng)度：有固定長(zhǎng)度和可變長(zhǎng)度兩種例如：

IBM370系列機(jī)，操作碼長(zhǎng)度固定：8位指令長(zhǎng)度有16位、32位和48位等多種

地址個(gè)數(shù)以?xún)傻刂窞橹?/p>

16個(gè)通用寄存器可兼做變址寄存器和基址寄存器使用OPCLB1D1B2D288412412SS型OPCR184RR型OPCR1X2B28444RX型D212OPCRnRmB8444RS型D12OPCI2B1884SI型D112計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第8講）

第二章指令系統(tǒng)2.1數(shù)據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)2.5RISC指令系統(tǒng)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性2.3.1指令的組成五類(lèi)：數(shù)據(jù)傳送，運(yùn)算，程序控制，輸入輸出，處理機(jī)控制和調(diào)試1、數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令由如下三個(gè)主要因素決定：

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的種類(lèi)

數(shù)據(jù)單位：字、字節(jié)、位、數(shù)據(jù)塊等

采用的尋址方式指令種類(lèi)（以字為傳送單位，不考慮尋址方式等）：

通用寄存器通用寄存器

通用寄存器主存儲(chǔ)器

通用寄存器堆棧

主存儲(chǔ)器通用寄存器

主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器

主存儲(chǔ)器堆棧

堆棧通用寄存器

堆棧主存儲(chǔ)器2、運(yùn)算類(lèi)指令考慮四個(gè)因數(shù)的組合：

(1)操作種類(lèi)：加、減、乘、除、與、或、非、異或、比較、移位、檢索、轉(zhuǎn)換、匹配、清除、置位等

(2)數(shù)據(jù)表示：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、邏輯、十進(jìn)制、字符串、定點(diǎn)向量等

(3)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：字、雙字、半字、字節(jié)、位、數(shù)據(jù)塊等

(4)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備：通用寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧等以加法指令為例，一般應(yīng)設(shè)置如下幾種：

寄存器-寄存器型的定點(diǎn)單字長(zhǎng)加法指令

寄存器-寄存器型的定點(diǎn)雙字長(zhǎng)加法指令

寄存器-寄存器型的定點(diǎn)半字加法指令

寄存器-寄存器型的字節(jié)加法指令

寄存器-寄存器型的浮點(diǎn)單字長(zhǎng)加法指令

寄存器-寄存器型的浮點(diǎn)雙字長(zhǎng)加法指令

寄存器-寄存器型的單字長(zhǎng)邏輯加法指令

寄存器-寄存器型的定點(diǎn)向量加法指令

寄存器-寄存器型的浮點(diǎn)向量加法指令移位指令，要組合以下三個(gè)因素：

移位方向：左移(L)、右移(R)

移位種類(lèi)：算術(shù)移位(A)、邏輯移位(L)、

循環(huán)移位(R)

移位長(zhǎng)度：?jiǎn)巫珠L(zhǎng)(S)、雙字長(zhǎng)(D)

組合起來(lái)共有：3×2×2＝12種，因邏輯左移與算術(shù)左移相同，因此移位指令應(yīng)該有10種，分別是：

SLAS 單字長(zhǎng)算術(shù)左移

SRAS 單字長(zhǎng)算術(shù)右移

SLLS(SRLS) 單字長(zhǎng)邏輯左移，

或單字長(zhǎng)算術(shù)左移

SLRS 單字長(zhǎng)循環(huán)左移

SRRS 單字長(zhǎng)循環(huán)右移

SLAD 雙字長(zhǎng)算術(shù)左移

SRAD

雙字長(zhǎng)算術(shù)右移

SLLD(SRLD) 雙字長(zhǎng)邏輯左移，

或雙字長(zhǎng)算術(shù)左移

SLRD 雙字長(zhǎng)循環(huán)左移

SRRD 雙字長(zhǎng)循環(huán)右移位操作指令：置位、清位、位測(cè)試、找位等字符串指令：比較、查找、匹配、轉(zhuǎn)換等3、程序控制指令主要包括三類(lèi)：轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用和返回指令、

循環(huán)控制指令

轉(zhuǎn)移條件有：零(Z)、正負(fù)(N)、進(jìn)位(C)、

溢出(V)及它們的組合主要條件轉(zhuǎn)移指令有：

BEQ 等于零轉(zhuǎn)移

BNEQ 不等于零轉(zhuǎn)移

BLS 小于轉(zhuǎn)移

BGT 大于轉(zhuǎn)移

BLEQ 小于等于轉(zhuǎn)移，或不大于轉(zhuǎn)移

BGEQ 大于等于轉(zhuǎn)移，或不小于轉(zhuǎn)移

BLSU 不帶符號(hào)小于轉(zhuǎn)移

BGTU 不帶符號(hào)大于轉(zhuǎn)移

BLEQU 不帶符號(hào)小于等于轉(zhuǎn)移，

或不帶符號(hào)不大于轉(zhuǎn)移

BGEQU 不帶符號(hào)大于等于轉(zhuǎn)移，

或不帶符號(hào)不小于轉(zhuǎn)移

BCC 沒(méi)有進(jìn)位轉(zhuǎn)移

BCS 有進(jìn)位轉(zhuǎn)移

BVC 沒(méi)有溢出轉(zhuǎn)移

BVS 有溢出轉(zhuǎn)移程序調(diào)用和返回指令：

CALL 轉(zhuǎn)入子程序

RETURN 從子程序返回，

本身可以帶有條件

中斷控制指令

開(kāi)中斷、關(guān)中斷、改變屏蔽、

中斷返回、自陷等4、輸入輸出指令主要有：

啟動(dòng)、停止、測(cè)試、控制設(shè)備，數(shù)據(jù)輸入、輸出操作等采用單一的直接尋址方式，在多用戶(hù)或多任務(wù)環(huán)境下，輸入輸出指令屬于特權(quán)指令也可以不設(shè)置輸入輸出指令，輸入輸出設(shè)備與主存儲(chǔ)器共用同一個(gè)零地址空間5、處理機(jī)控制和調(diào)試指令處理機(jī)狀態(tài)切換指令

處理機(jī)至少有兩個(gè)或兩個(gè)以上狀態(tài)硬件和軟件的調(diào)試指令

硬件調(diào)試指令：

鑰匙位置、開(kāi)關(guān)狀態(tài)的讀取寄存器

和主存單元的顯示等

軟件調(diào)試指令：

斷點(diǎn)的設(shè)置、跟蹤，自陷井指令等2.4.2指令系統(tǒng)性能完整性是指應(yīng)該具備的基本指令種類(lèi)，通用計(jì)算機(jī)必須有５類(lèi)基本指令規(guī)整性包括對(duì)稱(chēng)性和均勻性

對(duì)稱(chēng)性：所有寄存器頭等對(duì)待操作碼的設(shè)置等都要對(duì)稱(chēng)，如：A－B與B－A

均勻性：不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)設(shè)備、操作種類(lèi)要設(shè)置相同的指令高效率：指令的執(zhí)行速度要快；指令的使用頻度要高；各類(lèi)指令之間要有一定的比例兼容性：在同一系列機(jī)內(nèi)指令系統(tǒng)不變（可以適當(dāng)增加）2.4.3指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有兩個(gè)截然相反的方向：

1.復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC

(ComplexInstructionSetComputer)

增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令

面向目標(biāo)代碼、高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)

用一條指令代替一串指令

2.精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC

(ReducedInstructionSetComputer)

只保留功能簡(jiǎn)單的指令

功能較復(fù)雜的指令用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)下一節(jié)主要介紹RISC第二章指令系統(tǒng)2.1數(shù)據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計(jì)2.4指令系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)2.5RISC指令系統(tǒng)2.5精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC2.5.1從CISC到RISC70年代，指令系統(tǒng)已非常龐大，指令功能相當(dāng)復(fù)雜（見(jiàn)下頁(yè)表）。1975年，IBM公司率先組織力量開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的合理性問(wèn)題1979年研制出世界上第一臺(tái)采用RISC思想的計(jì)算機(jī)IBM8011986年，IBM正式推出采用RISC體系結(jié)構(gòu)的工作站IBMRTPC機(jī)型

（年代）IBM370/168

(1973)VAX-11

(1978)iAPX432

(1982)指令種類(lèi)208303222微程序容量420K480K64K指令長(zhǎng)度16-4816-4566-321制造工藝ECLMSITTLMSINMOSVLSI指令操

作類(lèi)型Mem-Mem

Mem-Reg

Reg-RegMem-Mem

Mem-Reg

Reg-Reg面向堆棧

Mem-MemCache容量64K64K0CISC指令系統(tǒng)存在的問(wèn)題：

DavidPatterson,UCBerkeley,19791、20％與80％規(guī)律CISC中，大約20％的指令占據(jù)了80％的處理機(jī)時(shí)間。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91.1％，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到97.72％ 其余80％指令：使用頻度只有8.9％，只占2.28％的處理機(jī)運(yùn)行時(shí)間2、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。3、軟硬件的功能分配問(wèn)題復(fù)雜的指令使指令的執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)

一般CISC處理機(jī)的指令平均執(zhí)行周期都在4以上，有些在10以上CISC增強(qiáng)了指令系統(tǒng)功能，簡(jiǎn)化了軟件，但硬件復(fù)雜了

1981年P(guān)atterson等人研制了32位RISCI微處理器，共31種指令，3種數(shù)據(jù)類(lèi)型，2種尋址方式；研制周期10個(gè)月，比當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的MC68000和Z8002快3至4倍；1983年又研制了RISCII，指令種類(lèi)擴(kuò)充到39種，單一的變址尋址方式，通用寄存器138個(gè)2.5.2RISC的定義與特點(diǎn)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)（CarnegieMellon）論述RISC的特點(diǎn)：

1、大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成

2、LOAD/STORE結(jié)構(gòu)

3、硬布線(xiàn)控制邏輯

4、減少指令和尋址方式的種類(lèi)

5、固定的指令格式

6、注重編譯優(yōu)化技術(shù)90年代初，IEEE的MichaelSlater對(duì)RISC定義的描述：

1、RISC為使流水線(xiàn)高效率執(zhí)行，應(yīng)具有：

簡(jiǎn)單而統(tǒng)一格式的指令譯碼

大部分指令可以單周期執(zhí)行完成

僅Load和Store指令可以訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器

簡(jiǎn)單的尋址方式

采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)

采用LOAD延遲技術(shù) 2、RISC為使優(yōu)化編譯器便于生成優(yōu)化代碼，應(yīng)具有：三地址指令格式、較多的寄存器、對(duì)稱(chēng)的指令格式2.5.3減少CPI是RISC思想的精華程序執(zhí)行時(shí)間的計(jì)算公式：P=I·CPI·T其中：

P是執(zhí)行這個(gè)程序所使用的總的時(shí)間；

I是這個(gè)程序所需執(zhí)行的總的指令條數(shù)；

CPI(CyclesPerInstruction)是每條指令執(zhí)行的平均周期數(shù)

T是一個(gè)周期的時(shí)間長(zhǎng)度。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。軟件方面：十分強(qiáng)調(diào)優(yōu)化編譯技術(shù)的作用RISC設(shè)計(jì)思想也可以用于CISC中類(lèi)型CISC指令條數(shù)

I指令平均周

期數(shù)CPI周期時(shí)間

T12～1533ns～5nsRISC1.3～1.41.1～1.410ns～2ns 例如：Intel公司的80x86處理機(jī)的CPI在不斷縮小，

8088的CPI大于20

80286的CPI大約是5.5

80386的CPI進(jìn)一步減小到4左右

80486的CPI已經(jīng)接近2

Pentium處理機(jī)的CPI已經(jīng)與RISC

十分接近目前，超標(biāo)量、超流水線(xiàn)處理機(jī)的CPI已經(jīng)達(dá)到0.5，實(shí)際上用IPC(InstructionPerCycle)更確切。2.5.4RISC的關(guān)鍵技術(shù)1、延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)定義：為了使指令流水線(xiàn)不斷流，在轉(zhuǎn)移指令之后插入一條不相關(guān)的有效的指令，而轉(zhuǎn)移指令被延遲執(zhí)行，這種技術(shù)稱(chēng)為延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)。采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)時(shí)，指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行。FEFEFEFE1:

addr1,r2

2:

jmpnext2

3: next1: subr3,r4

……

n: next2: mover4,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FEFEFE1:

jmpnext2

2: addr1,r2

3: next1: subr3,r4

……

n: next2: mover4,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 ;(r3)與(r4)比較

3: beq exit ;如果(r3)＝(r4)則轉(zhuǎn)移到next

4: add r4,r5

……

n: next: mover4,a調(diào)整后的指令序列：

1: cmp r3,r4 ;(r3)與(r4)比較

2: beq exit ;如果(r3)＝(r4)則轉(zhuǎn)移到next

3: move r1,r2 4: add r4,r5

……

n: next: mover4,a2、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。 如果轉(zhuǎn)移成功，則執(zhí)行循環(huán)體后面的指令，然后返回到循環(huán)體開(kāi)始；否則，則取消循環(huán)體后面的指令，繼續(xù)執(zhí)行后面的指令。例子： 調(diào)整前 調(diào)整后

loop: XXX XXX

YYY loop: YYY

…… ……

ZZZ ZZZ

cmpr1,r2,loop

cmpr1,r2,loop

WWW XXX

WWW 效果：能夠使指令流水線(xiàn)在絕大多數(shù)情況下不斷流，由于絕大多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)移是成功的。(2)向前轉(zhuǎn)移(if-then)

實(shí)現(xiàn)方法：如果轉(zhuǎn)移不成功執(zhí)行下條指令，否則取消下條指令。例子：

RRR

……

SSS ;If部分的程序代碼

cmpr1,r2,thru ;若轉(zhuǎn)移，則取消TTT

TTT ;若不轉(zhuǎn)移，則執(zhí)行TTT

…… ;Then部分的程序代碼

……

UUU ;Then部分的程序代碼

thru: VVV

效果：成功與不成功的概率通常各為50%(3)隱含轉(zhuǎn)移技術(shù)

應(yīng)用場(chǎng)合：用于if..then..結(jié)構(gòu)，且then部分只有一條指令

實(shí)現(xiàn)方法：把IF的條件取反，如果取反后的條件成立則取消下條指令，否則執(zhí)行下條指令。 例子：if(a<b)thenb=b+1

cmp>=,ra,rb ;若(ra)>=(rb)則取消

下條指令

incrb3、重疊寄存器窗口技術(shù)

（OverlappingRegisterWindow）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 例子：if(a<b)thenb=b+1

cmp>=,ra,rb ;若(ra)>=