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5講）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第一章基本概念第六章向量處理機(jī)

第二章指令系統(tǒng)第七章互連網(wǎng)絡(luò)

第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)第八章并行處理機(jī)和

第四章輸入輸出系統(tǒng)多處理機(jī)

第五章標(biāo)量處理機(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)

王要標(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)與軟件之間的語義差距越來

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.L1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(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)類型：文件、圖、表、樹、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)類型用數(shù)據(jù)表示實(shí)現(xiàn)，是

軟件與硬件的取舍問題。

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、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:

e其中

N=m-'rme=

需要有6個(gè)參數(shù)來定義。

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區(qū)反二101010

[x]補(bǔ)=010101區(qū)補(bǔ)=101011

結(jié)論1：對(duì)于正數(shù)來說，［x］原=［x］反=［x］補(bǔ)

即符號(hào)位為零，后面加上x的真值。

結(jié)論2:對(duì)于負(fù)數(shù)來說，

［x］原=l+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1

2.移碼

十進(jìn)制值補(bǔ)碼移碼十進(jìn)制值補(bǔ)碼移碼

+701111111-111110111

+601101110-211100110

+501011101-311010101

+401001100-411000100

+300111011-510110011

+200101010-610100010

+100011001-710010001

000001000-810000000

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)，。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*10150*10-2

尾數(shù)用原碼表示，最高位不等于零，稱之為規(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?。㎞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:

e其中

N=m-'rme=

需要有6個(gè)參數(shù)來定義。

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：

P：尾數(shù)長度，當(dāng)％=16時(shí)，每4個(gè)二進(jìn)制

位表示一位尾數(shù)

q：階碼長度，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

1位1位q位p位

em

mfef

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iI

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：

repr

rm~-rm~<N<'-rm~yrm

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

上溢下溢（浮點(diǎn)零）上溢

V負(fù)數(shù)區(qū)廠六正數(shù)區(qū)J-

oN

mI?n

Nmin-NmaxXNmax

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。

解：

規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)N的表數(shù)范圍是:

27-2327-1

-2-<<(1-2).2

2

即：「2“&N&(1-2-23)-2127

例23尾婺用補(bǔ)碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、

整數(shù)表示，p=6,q=6,1=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:

65

16-<N<(1-16一6)7663

在負(fù)數(shù)區(qū)間的表數(shù)范圍是:

/I-6、—A4

<-（京+1626

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)碼簡單，表示非常直觀。采用

小數(shù)表示能簡化運(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1選擇2，

階碼的基值幾取2,

浮點(diǎn)數(shù)格式設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題是：I

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p和階碼字長q

例25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，表數(shù)精度不

低于10-16。_________

，“一137

解：根據(jù)表數(shù)范圍的要求:22>10

37

解這個(gè)不等式:log(log10/log2+1)

q>-------------------------------------=6.95

log2

取階碼字長q=7

根據(jù)表數(shù)精度的要求，得到:

由于浮點(diǎn)數(shù)的字長通常為8的倍數(shù)，因此，

取尾數(shù)字長p=55,總的字長為1+1+7+55=

64,浮點(diǎn)數(shù)格式如下：I

1位1位7位55位

em

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:(1-^7)=(1-2-55)

11

絕對(duì)值最小的尾數(shù)值:

最大階碼:

最小階碼:

最大正數(shù):

=(1_2-55)-22-1=(1-2-55),2,27=1.70x1038

(1-r

2,-1291“r1c-39

—"2=2=I.47x10

最大負(fù)數(shù):

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:

2.22.32.52.62.10

2.142.15

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

未口輸入輸出設(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222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

編址單位與訪問字長

一般：字節(jié)編址，字訪問

部分機(jī)器：位編址，字訪問

輔助存儲(chǔ)器：塊編址

字節(jié)編址字訪問的優(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)

讀寫邏輯稍復(fù)雜

o字節(jié)位置引起的問題

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)部來區(qū)分，適用于被

編址的接口寄存器的長度比較短?！跋?/p>

跟法”隱含編址方式，必須按順序讀寫

寄存器。

-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

主要目的是用來擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量?！?/p>

低位交叉編址■

主要目的是提高存儲(chǔ)器速度。

222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

OPCR

OPCR,R

OPCR,R,R

OPCR,M

面向主存儲(chǔ)器的尋址方式：

OPCM

OPCM,M

OPCM,M,M

面向堆棧的尋址方式：■■

OPC

OPCM

2、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

重疊問題。為了編程簡單，采用一般的兩

地址指令編寫程序。

解：用間接尋址方式編寫程序如下:

start:moveasr,asi保存源數(shù)組的起始地址

moveadr,adi保存目標(biāo)數(shù)組起始地址

movenum,ent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)

incasi;源數(shù)組的地址增量

incadi目標(biāo)數(shù)組的地址增量

decent個(gè)教藏1

bgtloop測試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

重疊問題。為了編程簡單，采用一般的兩

地址指令編寫程序。

解：用間接尋址方式編寫程序如下:

start:moveasr,asi保存源數(shù)組的起始地址

moveadr,adi保存目標(biāo)數(shù)組起始地址

movenum,ent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)

incasi;源數(shù)組的地址增量

incadi目標(biāo)數(shù)組的地址增量

decent個(gè)教藏1

bgtloop測試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

ent:0;剩余數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)

用變址尋址方式編寫程序如下：]

start:moveas,x;源數(shù)組起址送變址寄存器

movenum,ent;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

incx增量變址寄存器

decent個(gè)數(shù)減1

bgtloop測試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)

ent: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的程序簡單、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：

在訪問間接地址過程中，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)：指令字長短、指令執(zhí)行速度快、I

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？

采用什么方式來實(shí)現(xiàn)？I

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)

確定了的稱為直接定位方式。

靜態(tài)定位：在程序裝入主存儲(chǔ)器的過程中

隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的

主存物理地址的稱為靜態(tài)定位方式。

動(dòng)態(tài)定位：在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)訪問到

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

研究內(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：力口、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：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：■

固定長度，Huffinan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)

操作碼整個(gè)操作系統(tǒng)所用改進(jìn)的

編碼方式指令由操作碼總蒞數(shù)百分比

8位定長編碼301,2480

4-6-10擴(kuò)展編碼184,96639%

Hu仔man編碼172,34643%

2、Huffman編碼法

1992年由Huffinan首先提出

操作碼的最短平均長度可通過下式計(jì)算:

i=1

其中：Pi表示第i種操作碼在程序中出現(xiàn)

的概率

固定長操作碼相對(duì)于

Huffman操作碼的-S2.log2Pi

信息冗余量為：log2n

例26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Huffinan編碼法的操作碼平均長度,

并計(jì)算固定長操作碼和Huffman操作碼的信

息冗余量。

111213□ZJ151617

概率0.450.300.150.050.030.010.01

利用Huffinan樹進(jìn)行操作碼編碼的方法，又

稱為最小概率合并法。

1.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。I

5.每個(gè)結(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)分支，分別用一位代碼J

“0"和"1"表示。

6.從根結(jié)點(diǎn)開始，沿尖頭所指方向，到達(dá)屬于

該指令的概率結(jié)點(diǎn)，把沿線所經(jīng)過的代碼組

合起來得到這條指令的操作碼編碼。

解：采用Huffinan編碼法所得到的操作碼的平

均長度

=0.45X1+0.30X2+0.15X3+0.05X4

+0.03X5+0.01X6+0.01X6=1.97（位）

采用最優(yōu)Huffinan編碼法，操作碼的最短平均

長度

=0.45X1.152+0.30X1.737+0.15X2.737

+0.05X4.322+0.03X5.059+0.01X6.644

+0.01X6.644=1.95（位）

0.450.300.150.050.030.010.01

指令序號(hào)概率Huffman編碼法操作碼長度

110.4501位

0.30102位

位

130.151103

0.0511104位

L0.03111105位

位

160.011111106

位

170.0111111116

采用3位固定長操作

“35%

碼的信息冗余量為:log273

Huffman編碼法的信息冗余量僅為:

1.95

R=1-------?1.0%

1.97

與3位定長操作碼的冗余量35%相比要小得多

3、擴(kuò)展編碼法B

Huffman操作碼的主要缺點(diǎn)：

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(kuò)展編碼法：由固定長操作碼與Huffinan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

操作碼最短平均長度為：

H=0.45X1+0.30X2+0.15X3+

(0.05+0.03+0.01+0.01)X5

:2.00

1.95

信息冗余量為:R=1--------=2.5%

2.00

又例如：例2.7改/p驪碼法,

其操作碼最短平均長度為：

H=(0.45x0.30+0.15)x2+

(0.05+0.03+0.01+0.01)x4

=2.20

信息冗余量為:

1.95

R=1--------=11.4%

2.20

7條指令的操作碼擴(kuò)展編碼法

序號(hào)|概率11-235擴(kuò)展編碼|2-4等長擴(kuò)展編碼

Ix0.45000

120.301001

130.1511010

i40.05moonoo

i0.03moinoi

J5

i6o.oiunomo

i7o.oimilIm

平均長度2022

信息冗余量25%11.4%

等長15/15/15.........擴(kuò)展編碼法

操作碼編碼說明

0000

00014位長度的操作碼

...共15種

1110

11110000

111100018位長度的操作碼

...共15種

11111110

111111110000

11111111000112位長度的操作碼

...共16種

111111111110

指令序號(hào)概率Huffman編碼法操作碼長度

110.4501位

0.30102位

位

130.151103

0.0511104位

L0.03111105位

位

160.011111106

位

170.0111111116

采用3位固定長操作

“35%

碼的信息冗余量為:log273

等長8/64/512……擴(kuò)展編碼法

操作碼編碼說明

0000

00014位長度的操作碼

...共8種

0111

10000000

100000018位長度的操作碼

...共64種

11110111

100010000000

10001000000112位長度的操作碼

...共512種

111111110111

不等長操作碼(4/6/10)擴(kuò)展編碼法

指令操作碼的長度指令

編碼方法

4位6位10位種類

15/3/161531634

8/31/168311655

8/30/328303270

8/16/256816256280

4/32/256432256292

2.3.4指令格式設(shè)計(jì)舉例

指令的長度：有固定長度和可變長度兩種［

操作碼長度：有固定長度和可變長度兩種］

例如：

IBM370系列機(jī)，操作碼長度固定：8位

指令長度有16位、32位和48位等多種

地址個(gè)數(shù)以兩地址為主

16個(gè)通用寄存器可兼做變址寄存器和基址

寄存器使用

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：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

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（以字為傳送單位，不考慮尋址

方式等）：

通用寄存器n通用寄存器

通用寄存器n主存儲(chǔ)器

通用寄存器n堆棧

主存儲(chǔ)器n通用寄存器

主存儲(chǔ)器n主存儲(chǔ)器

主存儲(chǔ)器n堆棧

堆棧n通用寄存器

堆棧n主存儲(chǔ)器

2、運(yùn)算類指令

考慮四個(gè)因數(shù)的組合：|■

(1)操作種類：力口、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)長度：字、雙字、半字、字節(jié)、

位、數(shù)據(jù)塊等

(4)、數(shù)據(jù)存藁備：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)單字長加法指令

寄存器-寄存器型的定點(diǎn)雙字長加法指令

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)單字長加法指令

寄存器-寄存器型的浮點(diǎn)雙字長加法指令

寄存器-寄存器型的單字長邏輯加法指令

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：算術(shù)移位(A)、邏輯移位(L)、

循環(huán)移位(R)

移位長度：單字長(S)、雙字長(D)

組合起來共有：3X2X2=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單字長算術(shù)左移

SRAS單字長算術(shù)右移

SLLS(SRLS)單字長邏輯左移，

或單字長算術(shù)左移

SLRS單字長循環(huán)左移

SRRS單字長循環(huán)右移

SLAD雙字長算術(shù)左移

SRAD雙字長算術(shù)右移

SLLD(SRLD)雙字長邏輯左移，

或雙字長算術(shù)左移

SLRD雙字長循環(huán)左移

SRRD雙字長循環(huán)右移

位操作指令：置位、清位、位測試、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：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沒有進(jìn)位轉(zhuǎn)移

BCS有進(jìn)位轉(zhuǎn)移

BVC沒有溢出轉(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，通用

計(jì)算機(jī)必須有5類基本指令

規(guī)整性包括對(duì)稱性和均勻性

對(duì)稱性：所有寄存器頭等對(duì)待操作碼的設(shè)

置等都要對(duì)標(biāo)，如：A—B與B—A

均勻性：不同的數(shù)據(jù)類型、字長、存儲(chǔ)設(shè)

備、操作種類要設(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)語言和操作系統(tǒng)

用一條指令代替一串指令

2.精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC

(ReducedInstructionSetComputer)

只保留功能簡單的指令

功能較復(fù)雜的指令用子程序來實(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精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC

2.5.1從CISC到RISC

70年代，指令系統(tǒng)已非常龐大，指令功能

相當(dāng)復(fù)雜（見下頁表）。

1975年，IBM公司率先組織力量開始研究指

令系統(tǒng)的合理性問題

1979年研制出世界上第一臺(tái)采用RISC思想

的計(jì)算機(jī)IBM801

1986年，IBM正式推出采用RISC體系結(jié)構(gòu)

的工作站IBMRTPC

機(jī)型IBM370/168VAX-11iAPX432

（年代）(1973)(1978)(1982)

指令種類~~208~~~~303~~~~222~~

微程序容量420K~~480K~~64K~~

指令長度~~1648~~16?4566-321~~

制造工藝ECLMSITTLMSINMOSVLSI

指令操M(fèi)em-MemMem-Mem面向堆棧

作類型Mem-RegMem-RegMem-Mem

Reg-RegReg-Reg

Cache容量~~64K~~64K0

CISC指令系統(tǒng)存在的問題：

DavidPatterson,UCBerkeley,1979

20%^80%HMM

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)的指令種類約100種

前11種（11%）指令的使用頻度已經(jīng)

超過80%

前8種（8%）指令的運(yùn)行時(shí)間已經(jīng)超

過80%

前20種（20%）指令：使用頻度達(dá)到

91.1%,運(yùn)行時(shí)間達(dá)至U97.72%

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)

簡單指令沒有必要用微程序?qū)崿F(xiàn)，復(fù)雜指

令用微程序?qū)崿F(xiàn)與用簡單指令組成的子程

序?qū)崿F(xiàn)沒有多大區(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題

復(fù)雜的指令使指令的執(zhí)行周期大大加長

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Risen,指令種類擴(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、硬布線控制邏輯

4、減少指令和尋址方式的種類

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為使流水線高效率執(zhí)行，應(yīng)具有：

簡單而統(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指令可以訪問存儲(chǔ)器

簡單的尋址方式

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：

八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)間長度。

RISC的速度要比CISC快3倍左右，關(guān)鍵是

RISC的CPI減小了

來刑指令條數(shù)指令平均周周期時(shí)間

大上I期數(shù)CPIT

CISCI2-1533ns?5rLs

RISc|1.3?1.41.1?1.4110ns?獲"

硬件方面：

采用硬布線控制邏輯，減少指令和尋址

方式的種類，使用固定的指令格式，采

用LOAD/STORE結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行過程中

設(shè)置多級(jí)流水線等。

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

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、理流水線處理機(jī)的CPI已經(jīng)

達(dá)到05實(shí)際上用IPC(InstructionPer

Cycle)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。

1:addr1,r2FE/產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址

2:jmpnext2FE/Z—指令作廢

3:nextl:subr3,r4FEr重新取指令

n:next2:mover4,aFE

因轉(zhuǎn)移指令引起的流水線斷流

產(chǎn)生轉(zhuǎn)移地址

1:jmpnext2----插入指令

2:addr1,r2一下IE

3:nextl:subr3,r4

重新取指令

n:next2:mover4,aFE

采用指令延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)的指令流水線

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)過程中與所經(jīng)

過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I

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:mover1,r2

2:cmpr3,r4;(r3)與(r4)比較

3:beqexit;如果(r3)=(r4)則轉(zhuǎn)移到next

4:addr4,巧

n:next:mover4,a

調(diào)整后的指令序列：

1:cmpr3,r4;(r3)與(r4)比較

2:beqexit;如果(r3)=(r4)則轉(zhuǎn)移到next

3:mover15r2

4:addr4,r5

n:next:mover4,a

2、指令取消技術(shù)I

采用指令延時(shí)技術(shù)，在許多情況下找不到

可以用來調(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:XXXXXX

YYYloop:YYY

zzzZZZ

cmpr1,r2,loopcmpr1,r2,loop

WWWXXX

WWW

效果：能夠使指令流水線在絕大多數(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斤部分的程序代碼

cmpr1,r2,thru若轉(zhuǎn)移，則取消TTT

TTT若不轉(zhuǎn)移，則執(zhí)行TT1

Then部分的程序代碼

UUU;Then部分的程序代碼

thru:VW

效果：成功與不成功的概率通常各為50%

⑶隱含轉(zhuǎn)移技術(shù)

應(yīng)用場合：用于if?.then..結(jié)構(gòu)，且then部分

只有一條指令

R現(xiàn)方或：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—由)則取消

下條指令

incrb

3、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)而訪問存儲(chǔ)器的信息量很大

美國加洲大學(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—由)則取消

下條指令

incrb

3、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)而訪問存儲(chǔ)器的信息量很大

美國加洲大學(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

劃分成很多個(gè)窗口。在每個(gè)過程使用的

幾個(gè)窗口中有