數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

2.1數(shù)據(jù)表示一、數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)表示是構(gòu)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的元素，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示是軟硬件的交界面。數(shù)據(jù)表示指的是能由機器硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。

當機器設(shè)置有定點加、減、乘、除、移位、比較等一系列定點運算指令和相應(yīng)的運算硬件，可直接對定點數(shù)進行各種處理時，機器就有了定點數(shù)據(jù)表示。當機器設(shè)置有邏輯加、邏輯乘、按位相加、邏輯移位等一系列邏輯運算指令和相應(yīng)邏輯運算硬件，可直接對邏輯數(shù)進行各種處理，機器就有了邏輯數(shù)據(jù)表示。若機器設(shè)置有浮點運算指令(如浮點加、減、乘、除、比較、存、取等)和相應(yīng)的運算硬件，可以直接對浮點數(shù)進行處理，機器就有浮點數(shù)據(jù)表示。

軟件系統(tǒng)所要處理的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。有：串、隊、棧、向量、陣列、鏈表、樹、圖等，它們反映了面向應(yīng)用的各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過軟件映象，將信息變換成機器中所具有的各種數(shù)據(jù)表示來實現(xiàn)的，數(shù)據(jù)表示是構(gòu)成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的元素。不同的數(shù)據(jù)表示可以為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供不同的支持，表現(xiàn)在實現(xiàn)的效率和方便性上不同。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示是軟、硬件的交界面。設(shè)計系統(tǒng)時需要分配軟、硬件的功能，確定在機器中設(shè)置哪些數(shù)據(jù)表示，以便對應(yīng)用中所遇到的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能有高的實現(xiàn)效率。數(shù)據(jù)表示的確定實質(zhì)上是軟、硬件的取舍問題。

圖2.1變址操作對向量、陣列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的支持二、高級數(shù)據(jù)表示1.自定義數(shù)據(jù)表示自定義(Self-defining)數(shù)據(jù)表示包括帶標志符的數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)描述符兩類。在傳統(tǒng)的計算機體系結(jié)構(gòu)中，用指令本身來說明操作數(shù)據(jù)的類型。如：定點加法表示操作數(shù)是純小數(shù)或純整數(shù)；浮點加法表示操作數(shù)是浮點數(shù)；十進制加法表示操作數(shù)是BCD數(shù)。由于操作數(shù)據(jù)類型不同，要設(shè)三種不同的指令(操作碼)來加以區(qū)分。自定義數(shù)據(jù)表示則用數(shù)據(jù)本身來說明數(shù)據(jù)類型。表示形式有兩種，即標志符數(shù)據(jù)表示和描述符數(shù)據(jù)表示。標志符數(shù)據(jù)表示要求對每一個數(shù)據(jù)都附加標志符，其格式如下：(1)帶標志符的數(shù)據(jù)表示

高級語言用類型說明語句指明數(shù)據(jù)類型，讓數(shù)據(jù)類型直接與數(shù)據(jù)本身聯(lián)在一起，運算符不反映數(shù)據(jù)類型。如FORTRAN程序中，實數(shù)I和J的相加是采用如下的語句組指明的：

REALI,J

I=I+J

在說明I、J的數(shù)據(jù)為實型后，用通用的“+”運算符就可實現(xiàn)實數(shù)加法。傳統(tǒng)的機器語言程序要用操作碼指明操作數(shù)的類型。如浮點加法指令中，由于操作碼是浮加，那么無論I和J是否是浮點數(shù)，總是按浮點數(shù)對待，進行浮點數(shù)加法。

編譯時需要把高級語言程序中的數(shù)據(jù)類型說明語句和運算符變換成機器語言中不同類型指令的操作碼，并驗證操作數(shù)的類型是否與運算符所要求的一致，若不一致，還需用軟件進行轉(zhuǎn)換，這些都增加了編譯的負擔。浮加IJ

其中標志符指明后面的數(shù)據(jù)所具有的類型，如整數(shù)、浮點數(shù)、BCD數(shù)、字符串等。標志符數(shù)據(jù)表示的優(yōu)點是能簡化指令系統(tǒng)，便于程序調(diào)試和查錯，缺點是數(shù)據(jù)區(qū)域占用的存儲空間增加，并使指令執(zhí)行的速度減慢。為了縮短高級語言與機器語言的這種語義差距，可讓機器中的每個數(shù)據(jù)如下所示，都帶有類型標志位：類型標志數(shù)據(jù)值數(shù)據(jù)(字)標志符數(shù)據(jù)表示的主要優(yōu)點：(1)簡化指令系統(tǒng)和程序設(shè)計；(2)簡化編譯程序；(3)便于實現(xiàn)一致性校驗；(4)能由硬件自動完成數(shù)據(jù)類型的變換；(5)支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無關(guān)的要求；(6)為軟件調(diào)試和應(yīng)用軟件開發(fā)提供了支持。采用標志符數(shù)據(jù)表示帶來的問題可能有兩個：

(1)每個數(shù)據(jù)字因增設(shè)標志符，會使程序所占用的主存空間增加。

(2)采用標志符會降低指令的執(zhí)行速度。2)數(shù)據(jù)描述符

自定義數(shù)據(jù)表示則用數(shù)據(jù)本身來說明數(shù)據(jù)類型。表示形式有兩種，即標志符數(shù)據(jù)表示和描述符數(shù)據(jù)表示。為進一步減少標志符所占的存貯空間，對于向量、數(shù)組、記錄等數(shù)據(jù)，由于每個元素具有相同的屬性，產(chǎn)生數(shù)據(jù)描述符。

數(shù)據(jù)描述符和標志符的差別在于標志符是和每個數(shù)據(jù)相連，合存在一個存貯單元中，描述單個數(shù)據(jù)的類型特征；描述符是與數(shù)據(jù)分開存放的，專門用來描述所要訪問的數(shù)據(jù)是整塊數(shù)據(jù)還是單個數(shù)據(jù)，訪問該數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)元素所需要的地址以及其他特征信息等。

以B6700的描述符為例，其數(shù)據(jù)描述符和數(shù)據(jù)的形式分別如下：101各種標志符長度地址描述符000數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)

描述符數(shù)據(jù)表示主要用來描述多維結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)類型，如向量、矩陣、記錄等。其格式為：圖2.4用描述符描述二維陣列2.向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示例如，要計算

ci=ai+5+bi;i=10,11,…,1000

用FORTRAN語言寫成的有關(guān)DO循環(huán)部分為DO40I=10,1000

40C(I)=A(I+5)+B(I)

在向量處理機上，具有向量、數(shù)組數(shù)據(jù)表示。

表現(xiàn)出在硬件上設(shè)置有豐富的向量或陣列運算指令，配置有以流水或陣列方式處理的高速運算器，只需用一條如下的向量加法指令：向量加A向量參數(shù)B向量參數(shù)C向量參數(shù)圖2.5向量編址所用的參數(shù)3.堆棧數(shù)據(jù)表示

(1)有若干高速寄存器組成的硬件堆棧，并附加控制電路讓它與主存中的堆棧區(qū)在邏輯上組成一個整體，訪問的堆棧速度是寄存器的，堆棧的容量是主存的。

(2)有很豐富的堆棧操作類指令且功能很強，直接可對堆棧中的數(shù)據(jù)進行各種運算和處理。

(3)有力地支持高級語言程序的編譯。假定有算術(shù)賦值語句

F=A*B+C/(D-E)

可以很容易通過用逆波蘭表達式：AB*CDE-/+

(4)有力地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用。

圖2.6用堆棧實現(xiàn)子程序的嵌套和遞歸調(diào)用三、引入數(shù)據(jù)表示的原則

數(shù)據(jù)表示是能由硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。引入數(shù)據(jù)表示的原則一：

是提高系統(tǒng)的效率，即減少實現(xiàn)時間和所需的存貯空間。

衡量實現(xiàn)時間是否減少，主要是看在主存和處理機之間傳送的信息量有否減少。

傳送的信息量越少，其實現(xiàn)時間就會越少。以A、B兩個200×200的定點數(shù)二維數(shù)組相加為例，用PL/1語言編寫很簡單，就是A=A+B

引入數(shù)據(jù)表示的原則二：引入某種高級數(shù)據(jù)表示后，是否提高其通用性和利用率。

如果只對某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)效率很高，而對其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)效率很低，或者引入這種數(shù)據(jù)表示在應(yīng)用中很少用到，為此所花的硬件過多卻并未在性能上得到好處，必然導(dǎo)致性能價格比的下降，特別是對一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)表示。

四、浮點數(shù)尾數(shù)基值大小和下溢處理方法的選擇浮點數(shù)尾數(shù)基值的選擇圖2.8浮點數(shù)可表示實數(shù)域中的值表2.1采用尾基為rm的浮點數(shù)表示的特性及其舉例(1)可表示數(shù)的范圍。由表2.1知，可表示的最小值為,rm增大，將減少；而可表示的最大值為,其中1-2-m部分為常數(shù)。(2)可表示數(shù)的個數(shù)。由表2.1知，可表示數(shù)的個數(shù)為，其中2p+m為常數(shù)，所以rm的增大將因增大，而使可表示數(shù)的個數(shù)增多。很容易得出，rm用16與用2的可表示數(shù)的個數(shù)之比為:(3)數(shù)在實數(shù)軸上的分布。對比表2.2和表2.3，可以看出rm用16的比用2的可表示數(shù)在實數(shù)軸上的分布要稀。例如在1/2和2之間，rm為2的有15個值，而rm為16的只有8個值。為了進一步分析數(shù)值分布和rm的關(guān)系，引入表示比。表示比e指的是在相同p、m位數(shù)時，在rm=2的可表示最大值以內(nèi)，采用rm>2的可表示浮點數(shù)個數(shù)與rm=2的可表示浮點數(shù)個數(shù)之比。

(4)可表示數(shù)的精度。由于rm愈大，數(shù)在數(shù)軸上的分布變稀，已可得出數(shù)的表示精度下降的結(jié)論。從另一個角度分析，由于機器尾數(shù)位數(shù)m相同情況下，規(guī)格化十六進制尾數(shù)最高數(shù)位中可能出現(xiàn)4位機器位中的左面3位均為0，即rm=2的可能比rm=16的有多3位機器位的精度。若rm=2k，則最壞情況下，尾數(shù)中只用到m-k+1位機器位來表示，所以，可表示數(shù)的精度隨rm增大而單調(diào)下降。

(5)運算中的精度損失。運算中的精度損失是指由于運算過程中尾數(shù)右移出機器字長使得有效數(shù)字丟失后所造成的精度損失，因此它與可表示數(shù)的精度是兩個不同的概念。由于尾數(shù)基值rm取大后，對階移位的機會和次數(shù)要少，且由于數(shù)的表示范圍擴大，也使出現(xiàn)尾數(shù)溢出需右規(guī)的機會減少，這從表2.4對大量指令執(zhí)行后統(tǒng)計得出的浮點加法移位距離和所占百分比情況可以看出。因此rm愈大，尾數(shù)右移的可能性愈小，精度的損失就越小。(6)運算速度。由于rm大時發(fā)生因?qū)﹄A或尾數(shù)溢出需右移及規(guī)格化需左移的次數(shù)顯著減少，因此運算速度可以提高。表2.4浮點加法的移位距離及百分比2.浮點數(shù)尾數(shù)的下溢處理方法(１)截斷法(２)舍入法(３)恒置“1”法(４)查表舍入法圖2.9rm=2,m=2時，各種下溢處理方法的誤差曲線圖2.10k位ROM查表舍入2.2尋址技術(shù)1、在通用寄存器指令集結(jié)構(gòu)中，一般是利用尋址方式指明指令中的操作數(shù)是一個常數(shù)、一個寄存器操作數(shù)，或是一個存儲器操作數(shù)。2、當前指令集結(jié)構(gòu)中所使用的一些操作數(shù)尋址方式。一、尋址方式分析大多數(shù)計算機采用主存、通用寄存器、堆棧分類編址，因此有面向寄存器、堆棧和主存的分類尋址方式。

面向寄存器的尋址方式:

操作數(shù)可以取自寄存器或主存，結(jié)果大多保存在寄存器中，少量的送入主存。面向堆棧的尋址方式:

主要訪問堆棧，少量訪問主存或寄存器。面向主存的尋址方式:

主要訪問主存，少量訪問寄存器。

3.尋址方式使用情況統(tǒng)計結(jié)果

立即值尋址方式和偏移尋址方式的使用頻率十分高。圖2.12基址尋址各種信息在存貯器中存放的地址必須是：(1)字節(jié)信息地址為×…××××

(2)半字信息地址為×…×××0

(3)單字信息地址為×…××00

(4)雙字信息地址為×…×000◆程序所使用的偏移量大小分布十分廣泛；◆較小的偏移量和較大的偏移量均占有相當大的比例；◆將偏移量字段的大小設(shè)置為12～16位。這種長度可以支持上述75％～99％基于偏移尋址方式的數(shù)據(jù)訪問中偏移量大小的表示。2.3指令系統(tǒng)的設(shè)計和改進

（InstructionSystemArchitecture）根據(jù)五個因素對計算機指令集結(jié)構(gòu)進行分類：(1)在CPU中操作數(shù)的存儲方法;(2)指令中顯式表示操作數(shù)的個數(shù);(3)操作數(shù)的尋址方式;(4)指令集所提供的操作類型;(5)操作數(shù)的類型和大小;指令一般由兩部分組成：一部分是操作碼，另一部分是操作地址碼。當操作數(shù)地址為隱式時(如堆棧的操作，默認為棧頂)，后一部分則不是必須的。根據(jù)指令地址碼部分中顯式指明的地址個數(shù)，則可形成零地址、單地址、二地址、三地址及四地址指令。確定指令格式就是選擇指令字中的操作碼長度和地址數(shù)。指令字的長度有定長和變長兩種。

一種指令集中的指令到底要支持哪些類型的操作？

(指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計問題)

兩種截然不同的方向：

◆復(fù)雜指令集計算機（CISC）強化指令功能，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移。

◆精簡指令集計算機（RISC）盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達到簡化實現(xiàn)，提高性能的目的。 當今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的一個主要趨勢。一、指令格式的優(yōu)化操作碼的優(yōu)化表示表2.5某模型機指令使用頻度舉例

例：現(xiàn)設(shè)一臺模型機，共有7種不同的指令，使用頻度如上表所示。若操作碼用定長碼表示需要3位。指令使用頻率指令使用頻率I10．40I50.04I20.30I60.03I30.15I70.03I40.05按信息論觀點，當各種指令的出現(xiàn)是相互獨立的(實際情況并不都是如此)時候，操作碼的信息源熵(信息源所包含的平均信息量)H為-∑pilog2pi

，由于操作碼信息是用二進制位表示的，則H=-∑pilog2pi

按上表數(shù)據(jù)，得:H=0.40×1.32+0.30×1.74+0.15×2.74+0.05×4.32

+0.04×4.64+0.03×5.06+0.03×5.06=2.17

說明表示這7種指令，操作碼平均只需2.17位就夠了。采用3位定長操作碼表示的信息冗余量。相當大。為減少信息冗余，可改用哈夫曼編碼。熵首先是物理學里的名詞。在傳播中是指信息的不確定性,一則高信息度的信息熵是很低的,低信息度的熵則高。具體說來，凡是導(dǎo)致隨機事件集合的肯定性，組織性，法則性或有序性等增加或減少的活動過程，都可以用信息熵的改變量這個統(tǒng)一的標尺來度量。

1948年，（ClaudeE.Shannon）香農(nóng)提出了“信息熵”(shāng)的概念，解決了對信息的量化度量問題。把信息（熵）定義為離散隨機事件的出現(xiàn)概率，信息是事物的不確定性。所謂信息熵，是一個數(shù)學上頗為抽象的概念，在這里不妨把信息熵理解成某種特定信息的出現(xiàn)概率。而信息熵和熱力學熵是緊密相關(guān)的。香農(nóng)信息定義信息熵=-（p1*logp1+p2*logp2+．．．＋p32*logp32）其中，p1，p2，．．．，p32分別是這

32個球隊奪冠的概率。香農(nóng)把它稱為“信息熵”

(Entropy)，一般用符號

H表示，單位是比特。

變量的不確定性越大，熵也就越大，把它搞清楚所需要的信息量也就越大。

信息熵是信息論中用于度量信息量的一個概念。一個系統(tǒng)越是有序，信息熵就越低；反之，一個系統(tǒng)越是混亂，信息熵就越高。所以，信息熵也可以說是系統(tǒng)有序化程度的一個度量。編址方式對各種存儲設(shè)備進行編碼的方法主要內(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(shè)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。?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：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位地址存儲器空間浪費讀寫邏輯復(fù)雜大端(BigEndin)與小端(LittleEndian)問題（大端存儲格式，字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中，小端存儲格式，低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)。

）表2.6操作碼的哈夫曼編碼及擴展操作碼編碼圖2.14哈夫曼樹舉例

只要采用全哈夫曼編碼，操作碼的平均碼長肯定是唯一的。如此例，操作碼的平均碼長非常接近于可能的最短位數(shù)(H)2.17位。這種編碼的信息冗余為擴展操作碼問題，現(xiàn)有14條指令，其使用頻率如下：

I10.15I20.15I30.14

I40.13I50.12I60.11

I70.04I80.04I90.03I100.03I110.02I120.02I130.01I140.01

若只用兩種碼長的擴展碼編碼，其平均碼長至少為多少位？

采用只有兩種碼長的擴展操作碼，根據(jù)14條指令所給出的使用頻度值分成兩群，讓使用頻度較高的6條指令用3位操作碼編碼表示。如，用000~101分別表示使用頻度為0.15、0.15、0.14、0.13、0.12、0.11的指令的操作碼。余下110和111兩個3位碼作為長碼的擴展標志，相當于一個二進制位，再擴展2位二進制碼，既相當與共有3位。從而用5位碼就可以表示8條使用頻度較低的指令。因此，求得操作碼的平均碼長為：

3*（0.15+0.15+0.14+0.13+0.12+0.11+5*(0.04+0.04+0.03+0.03+0.02+0.02+0.01+0.01)=3.4IBM370指令中訪存地址有如下形式：IBM370的指令中為訪存，采用基址尋址，地址碼可有如下形式：圖2.18在定長指令字內(nèi)實現(xiàn)多種地址制

如果讓最常用的操作碼最短，其地址碼字段個數(shù)越多，就越能使指令的功能增強，越可以從宏觀上減少所需的指令條數(shù)。例如，為實現(xiàn)A+B→C，采用單地址指令需經(jīng)取A、加B、送C3條指令完成，而采用3地址指令，則只需一條指令即可完成。加ABC

不僅縮短程序的占用空間，也減少了訪存取指令次數(shù)，加快程序執(zhí)行的速度。雖然IBM370大部分都采用8位定長操作碼，但對某些指令(尤其是原360指令系統(tǒng)中沒有的)，如啟動I/O、測試I/O、暫停I/O、頁面清除、訪問方式位的復(fù)位、絕對時鐘設(shè)置等特殊指令，其操作碼由8位擴展到16位。指令字格式優(yōu)化措施：（1）縮短操作碼的平均碼長;（2）縮短碼的長度;（3）采用地址限制，加快程序執(zhí)行速度;（4）采用長操作碼與短地址碼配合，具有靈活的地址形式;（5）按整數(shù)邊界法則，采用靈活的指令字長度;目的：減少信息冗余，利于指令系統(tǒng)擴充

指令格式的優(yōu)化問題，就是以較少的格式，盡可能短的碼長來實現(xiàn)各種指令編碼。

指令字包括操作碼和地址碼，所以對這兩部分都采取優(yōu)化措施。1、操作碼的優(yōu)化。這要用到霍夫曼壓縮的概念?；舴蚵鼔嚎s法是一種頻率相關(guān)的編碼方法，即出現(xiàn)頻率高的字符編碼短，頻率低的字符編碼長，縮短平均碼長。用霍夫曼樹實現(xiàn)霍夫曼編碼。根據(jù)所給的各種指令使用頻率，把它們從小到大依次排好作為葉結(jié)點(相同的頻率可任取一個排在前)，然后把最小的兩個結(jié)點值(頻率)相加，形成一個新結(jié)點，以這個結(jié)點的值與其他的葉結(jié)點值比較大小，仍舊取最小的兩個結(jié)點值合并產(chǎn)生新結(jié)點，直到最終合并為一個根(通常這個值是1或100)。簡單地記為：從小到大排序，最小兩個合并，重復(fù)上述過程，只剩一個結(jié)束。2、地址碼的優(yōu)化。指令碼與地址碼合理安排才能使指令格式得到優(yōu)化。由于操作碼優(yōu)化后是變長的編碼，如果整條指令是定長的，那么使地址碼的寬度應(yīng)隨不同指令變化，以配合操作碼形成定長指令；也可以通過改變指令字中的地址數(shù)和地址碼的長度，以使單地址及多址都可以在一條指令中使用；如果操作碼和地址碼之外還有空余的碼位，則設(shè)法用來存放立即操作數(shù)或常數(shù)。

當今的RISC機指令系統(tǒng)中，全都是用定字長指令格式。2.4指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進CISC指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計CISC結(jié)構(gòu)追求的目標：強化指令功能，減少程序的指令條數(shù)，以達到提高性能的目的。增強指令功能主要是從如下幾個方面著手：1.

提高運算型指令功能提高傳送指令功能增加程序控制指令功能

面向目標程序增強指令功能2.面向高級語言的優(yōu)化實現(xiàn)來改進

面向高級語言的優(yōu)化就是盡可能縮小高級語言與機器語言之間的語義差距，以利于支持高級語言編譯系統(tǒng)，縮短編譯程序的長度和編譯所需的時間。p59

面向高級語言和編譯程序改進指令系統(tǒng)

(1)增加對高級語言和編譯系統(tǒng)支持的指令功能

◆

對源程序中各種高級語言語句進行使用頻度的統(tǒng)計與分析，對使用頻度高的語句，可以設(shè)置專門的指令或采取措施增加相應(yīng)指令的功能，以提高其編譯速度和執(zhí)行速度。

◆

從面向編譯程序，尤其是從優(yōu)化代碼生成的角度進行考慮，增加指令集結(jié)構(gòu)的規(guī)整性來改進指令系統(tǒng)。規(guī)整性：沒有或盡可能減少例外的情況和特殊的應(yīng)用，以及所有運算都能對稱、均勻地在存儲器單元或寄存器單元之間進行。(2)

高級語言計算機指令系統(tǒng)

◆面向高級語言(HL)的機器縮小機器語言和高級語言的語義差距。

◆間接執(zhí)行型高級語言機器高級語言和機器語言是一一對應(yīng)的，用匯編的方法(可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn))把高級語言源程序翻譯成機器語言程序。◆直接執(zhí)行型高級語言機器高級語言就作為機器語言，直接由硬件或固件對高級語言源程序的語句逐條進行解釋以執(zhí)行它。面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化實現(xiàn)改進指令系統(tǒng)

操作系統(tǒng)的實現(xiàn)在很大程度上取決于體系結(jié)構(gòu)的支持。

(1)主要表現(xiàn)在對以下方面的支持中斷處理進程管理存儲管理和保護系統(tǒng)工作狀態(tài)的建立與切換(2)設(shè)置指令支持系統(tǒng)工作狀態(tài)和訪問方式轉(zhuǎn)移的指令支持進程轉(zhuǎn)移的指令支持進程同步和互斥的指令

只有Load和Store操作指令才訪問存儲器,其它指令操作均在寄存器之間進行；以簡單有效的方式支持高級語言。(1)跳轉(zhuǎn):當控制指令為無條件改變控制流時，稱之為“跳轉(zhuǎn)”。(2)分支：當控制指令是有條件改變控制流時，稱之為“分支”。(3)控制流程的各種改變情況條件分支跳轉(zhuǎn)過程調(diào)用過程返回《周易》又稱《易經(jīng)》，是秦漢后直至今日無人真正通曉的上古典籍?！吨芤住贩譃榻?jīng)部和傳部，經(jīng)部之原名就為《周易》，是對四百五十卦易卦典型象義的揭示和相應(yīng)吉兇的判斷，而傳部含《文言》、《彖傳》上下、《象傳》上下、《系辭傳》上下、《說卦傳》、《序卦傳》、《雜卦傳》，共七種十篇，稱之為“十翼”，是孔門弟子對《周易》經(jīng)文的注解和對筮占原理、功用等方面的論述。周易是個系統(tǒng)工程，歷史上歷代名人志士不斷地研究之、并充實其內(nèi)容，使其更具有旺盛的生命力?？鬃咏?jīng)過多年磨難，從53歲開始學習"周易"，他非?？炭嗾J真，致使串連竹簡的牛皮繩磨斷三次。孔子對卦辭和爻辭作了進一步的詮釋和發(fā)揮，撰寫了解讀文字，形成了"周易?易傳"，儒教從此誕生。"易傳"使"周易"的內(nèi)容更邏輯化、系統(tǒng)化，他提出的“一陰一陽之謂道”，首次把宇宙萬物分為既對立又統(tǒng)一的兩大類，是最早的辯證法思想的形象表述。由此，"周易"用最簡潔的語言，概括了極其博大乃至無窮的內(nèi)容。其獨特的理論思維模式，為人們提供了一個從時間、地點、條件全方位分析問題、認識事物的思想方法。

易卦系統(tǒng)最基本的要素為陰陽概念，而陰陽概念包括陰陽的性質(zhì)和狀態(tài)兩層意義。如果不理會陰陽的狀態(tài)，只論及其性質(zhì)，則可以用陽爻（－）和陰爻（－－）表示陰陽。將上述陰陽爻按照由下往上重疊三次，就形成了八卦，即“乾，坤，震，巽，坎，離，艮，兌”八個基本卦，稱為八經(jīng)卦。再將八經(jīng)卦兩兩重疊，就可以得到六個位次的易卦，共有六十四卦。六十四卦稱為六十四別卦，每一卦都有特定的名稱。如果再考慮陰陽的狀態(tài)，則陰陽概念又進一步劃分為“老陰，老陽，少陰，少陽”四種情形，可以用“Ｘ，Ｏ，--，－，”四種符號分別代表之。六十四別卦每一卦的每個位次上都可能有四種陰陽狀態(tài)，于是全部易卦系統(tǒng)就共有4096種不同的卦。如果將陰陽性質(zhì)構(gòu)成相同的各個卦放在一起，就形成了主卦卦名相同的六十四種分系統(tǒng)，可以稱為某某卦系。

《周易》經(jīng)部文字說明的內(nèi)容就是對六十四卦系中部分易卦的象征意義的解釋以及相應(yīng)的人事吉兇判定（稱為占斷）。其中每一卦系的第一條內(nèi)容是相應(yīng)的全靜卦的占斷，其后的六條（乾坤卦系有七條）內(nèi)容是順次排列的對相應(yīng)卦系一爻動的卦的占斷。秦漢以后的易學對此都存在錯誤或者說模糊的認識。圖2.24各種機器的語義差距面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化改進

面向操作系統(tǒng)的優(yōu)化就是進一步縮小操作系統(tǒng)與體系結(jié)構(gòu)之間的語義差距，以利于減少操作系統(tǒng)運行所需的輔助時間，節(jié)省操作系統(tǒng)軟件所占用的存儲空間。操作系統(tǒng)的實現(xiàn)依賴于體系結(jié)構(gòu)對它的支持。許多傳統(tǒng)機器指令例如算術(shù)邏輯指令、字符編輯指令、移位指令、控制轉(zhuǎn)移指令等，都可用于操作系統(tǒng)的實現(xiàn)。此外，還有相當一部分指令是專門為實現(xiàn)操作系統(tǒng)的各種功能而設(shè)計的。

IBM360最初并沒有支持公用區(qū)管理設(shè)置專門的指令，因此在A進程中，為使用公用區(qū)，就需要安排如下的指令串：A1:取L ;L為一個字節(jié)，存放公用區(qū)可否使用的標志判(L)

0 ;(L)0為0，置條件碼為00；(L)0為1，置條件碼為01

送全“1”到L ；置“1”(L)

0

條件轉(zhuǎn)移A1 ；條件碼為01時轉(zhuǎn)移調(diào)用公用區(qū)K1 ;K1為K公用區(qū)子程序入口

…K公用區(qū)子程序為：K1:取C ；將公用單元C的值取到寄存器增值 ；在寄存器中完成增值存C ；將增值結(jié)果存回公用單元C

清除L ；置“0”(L)

0

返回 ；返回調(diào)用程序

采用“比較與交換”指令后，上述A進程給公用單元C的增值程序就相應(yīng)改成(B進程也類似)：

“比較與交換”指令的其他用法。使(R1)=全0，(R3)=全1，C中存標志位，就可以替代“測試與置定”指令。

“比較與交換”指令要比“測試與置定”指令靈活。

這兩條指令不只是用在單處理機上，也可以用在多處理機上支持操作系統(tǒng)實現(xiàn)進程間通訊的同步和互斥，它們的功能是一般的機器指令無法實現(xiàn)的。盡管增加了“比較與交換”指令，但為保證軟件的向后兼容，“測試與置定”指令仍被保留。

為了縮短系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與操作系統(tǒng)的語義差距還可以考慮的第三個重要思路是，把操作系統(tǒng)由軟件子程序?qū)崿F(xiàn)的某些功能進行硬化或固化，改用硬件和固件實現(xiàn)。例如，VAX—11/780，專門為進程切換設(shè)置有關(guān)“保存進程關(guān)聯(lián)信息”和“恢復(fù)進程關(guān)聯(lián)信息”的指令；將原先由子程序?qū)崿F(xiàn)的功能進行硬化。堆棧型機器HP—3000設(shè)置了功能性很強的PCAL(PROCEDURECALL，程序調(diào)用)和EXIT(出口返回)兩條專用指令來支持程序嵌套和遞歸調(diào)用，簡化子程序工作區(qū)的分配管理，這兩條指令的語義非常接近于高級語言CALL和RETURN語句的語義，它將原由軟件實現(xiàn)的調(diào)用、返回功能改為用微程序固件解釋實現(xiàn)，這實際上也是對操作系統(tǒng)存貯管理的有力支持。

按簡化指令功能的方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng)

1.精簡指令系統(tǒng)思想的提出

針對CISC結(jié)構(gòu)存在的這些問題，Patterson等人提出了精簡指令系統(tǒng)計算機的設(shè)想。通過精減指令來使計算機結(jié)構(gòu)變得簡單、合理、有效，并克服CISC結(jié)構(gòu)的上述缺點。他們提出了設(shè)計RISC機器應(yīng)當遵循的一般原則。這些原則包括：

(1)確定指令系統(tǒng)時，只選擇使用頻度很高的那些指令，在此基礎(chǔ)上增加少量能有效支持操作系統(tǒng)和高級語言實現(xiàn)及其他功能的最有用的指令，讓指令的條數(shù)大大減少，一般不超過100條。(2)減少指令系統(tǒng)可采用的尋址方式，一般不超過兩種。簡化指令的格式，使之也限制在兩種之內(nèi)，并讓全部指令都具有相同的長度。

(3)讓所有指令在一個機器周期內(nèi)完成。

(4)擴大通用寄存器的個數(shù)，（一般不少于32個寄存器，）盡可能減少訪存操作，指令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可訪存，其他指令的操作一律都在寄存器間進行。

(5)大多數(shù)指令都采用硬聯(lián)控制實現(xiàn)，少數(shù)指令采用微程序?qū)崿F(xiàn)。(6)通過精簡指令和優(yōu)化設(shè)計編譯程序，以簡單有效的方式來支持高級語言的實現(xiàn)。CISC結(jié)構(gòu)存在的缺點(1)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。(2)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計錯誤。(3)CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計增加了很大負擔，不利于單片集成.(4)CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。執(zhí)行頻率排序80X86指令指令執(zhí)行頻率（％執(zhí)行指令總數(shù)）1Load22％2條件分支20％3比較16％4Store12％5加8％6與6％7減5％8寄存器－寄存器間數(shù)據(jù)移動4％9調(diào)用1％10返回1％合計96％Intel80X86最常用的十條指令

RISC目的使得計算機體系結(jié)構(gòu)更加簡單、更加合理和更加有效，克服CISC結(jié)構(gòu)的缺點，使機器速度更快，程序運行時間縮短，從而提高計算機系統(tǒng)的性能。RISC設(shè)計原則選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令；每條指令的功能應(yīng)盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成；所有指令長度均相同；只有Load和Store操作指令才訪問存儲器,其它指令操作均在寄存器之間進行；以簡單有效的方式支持高級語言。RISC結(jié)構(gòu)采用的基本技術(shù)

(1)遵循按RISC機器一般原則設(shè)計的技術(shù)；

(2)在邏輯上采用硬聯(lián)實現(xiàn)和微程序固件實現(xiàn)相結(jié)合的技術(shù)；

(3)在CPU中設(shè)置數(shù)量較大的寄存器組，并采用重疊寄存器窗口的技(4)指令的執(zhí)行采用流水和延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)設(shè)X、Y為主存單元，Rd,R0,Rb,Rc為寄存器單元，且R0中放值0。有一個未采用延遲轉(zhuǎn)移的程序：

當執(zhí)行到地址為212的條件轉(zhuǎn)移指令時，如果轉(zhuǎn)移成功，則預(yù)取的213指令就應(yīng)作廢，即不應(yīng)將Rd的內(nèi)容轉(zhuǎn)送到Rb。為了保證程序的正確性，就應(yīng)在212后面插入一條“加R0,R0,R0

”指令，相當于插入一條空操作指令(該指令執(zhí)行結(jié)果仍然存的是0)，如下列左邊的程序所示。因此，不管212是否成功轉(zhuǎn)移，都不會影響到其他運算的中間結(jié)果或最后結(jié)果，但這樣，不管條件轉(zhuǎn)移是否發(fā)生總要多花一個周期。(5)采用認真設(shè)計和優(yōu)化編譯系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)。設(shè)A、A+1,B,B+1為主存單元，則程序取A，Ra;(A)→Ra

存Ra,B ;(Ra)→B

取A+1,Ｒa ;(A+1)→Ra

存Ra,B+1 ;(Ra)→B+

實現(xiàn)的是將A和A+1兩個主存單元的內(nèi)容轉(zhuǎn)存到B和B+1兩個主存單元。由于取和存兩條指令交替進行，又使用同一個寄存器Ra,出現(xiàn)寄存器R

a必須先取得A的內(nèi)容，然后才能由Ra存入B，即上條指令未結(jié)束之前，下條指令無法開始。后面的指令也是如此。因此，指令之間實際上不能流水，每條指令均需兩個機器周期。如果通過編譯調(diào)整其指令的順序為取A，Ra ;(A)→Ra

取A+1,Rb ;(A+1)→Rb

存Ra,B ;(Ra)→B

存Rb,B+1 ;(Rb)→B+13.RISC技術(shù)的發(fā)展采用RISC結(jié)構(gòu)后可以帶來如下明顯的優(yōu)點：簡化指令系統(tǒng)設(shè)計，適合超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)；(2)提高機器的執(zhí)行速度和效率；(3)降低設(shè)計成本，提高了系統(tǒng)的可靠性；(4)可以提供直接支持高級語言的能力，簡化編譯程序的設(shè)計。典型的RISC型機器基本特征RISC結(jié)構(gòu)還存在某些問題：

(1)由于指令少，使原在CISC上由單一指令完成的某些復(fù)雜功能現(xiàn)在需要用多條RISC指令才能完成，這實際上加重了匯編語言程序員的負擔，增加了機器語言程序的長度，從而占用了較大的存貯空間，加大了指令的信息流量。(2)對浮點運算和虛擬存貯器的支持雖有很大加強，但仍不夠理想。

(3)RISC機器上的編譯程序要比CISC機器上的難寫。圖2.27CLIPPER機的概念性結(jié)構(gòu)代表性的RISC處理機的特征代表性的RISC處理機的特征（續(xù)）在機器上直接運行的程序是由指令組成指令系統(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。?硬件設(shè)計人員采用各種手段實現(xiàn)指令系統(tǒng)，而軟件設(shè)計人員則使用這些指令系統(tǒng)編制系統(tǒng)軟件和應(yīng)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。?指令系統(tǒng)設(shè)計必須由軟件設(shè)計人員和硬件設(shè)計人員共同來完成。?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。按簡化指令功能的方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng)1.精簡指令系統(tǒng)思想的提出

針對CISC結(jié)構(gòu)存在的這些問題，Patterson等人提出了精簡指令系統(tǒng)計算機的設(shè)想。通過精減指令來使計算機結(jié)構(gòu)變得簡單、合理、有效，并克服CISC結(jié)構(gòu)的上述缺點。他們提出了設(shè)計RISC機器應(yīng)當遵循的一般原則。這些原則包括：

(1)確定指令系統(tǒng)時，只選擇使用頻度很高的那些指令，在此基礎(chǔ)上增加少量能有效支持操作系統(tǒng)和高級語言實現(xiàn)及其他功能的最有用的指令，讓指令的條數(shù)大大減少，一般不超過100條。(2)大大減少指令系統(tǒng)可采用的尋址方式的種類，一般不超過兩種。簡化指令的格式，使之也限制在兩種之內(nèi)，并讓全部指令都具有相同的長度。

(3)讓所有指令都在一個機器周期內(nèi)完成。

(4)擴大通用寄存器的個數(shù)，一般不少于32個寄存器，以盡可能減少訪存操作，所有指令中只有存(STORE)、取(LOAD)指令才可訪存，其他指令的操作一律都在寄存器間進行。

(5)為提高指令執(zhí)行速度，大多數(shù)指令都采用硬聯(lián)控制實現(xiàn)，少數(shù)指令采用微程序?qū)崿F(xiàn)。(6)通過精簡指令和優(yōu)化設(shè)計編譯