計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-第二章(指令系統(tǒng))

Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 w 指 令 系 統(tǒng) 的 分 類w 數(shù) 據(jù) 表 示w 尋 址 技 術(shù)w 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)w 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì)w 綜 合 實(shí) 例 ： MIPS指 令 集 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 根 據(jù) CPU中 操 作 數(shù) 的 存 儲(chǔ) 方 法 分 類 （ 主 要 分類 準(zhǔn) 則 ） 根 據(jù) 指 令 中 顯 式 操 作 數(shù) 個(gè) 數(shù) 分 類 根 據(jù) 操 作 數(shù) 能 否 放 在 存 儲(chǔ) 器 中 分 類 堆 棧 型 指 令 系 統(tǒng) 累 加 器 型 指 令 系 統(tǒng) 寄 存 器 型 指 令 系 統(tǒng) 6 之 1 以C=A+B為例說(shuō)明不同指令系統(tǒng)的特點(diǎn)6 之 2 灰 色 塊 ： 操 作 數(shù) 黑 色 塊 ： 結(jié) 果 TOS： 棧 頂 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 指 令 長(zhǎng) 度 短 ， 代 碼 密 度 高 ， 占 用 存 儲(chǔ) 空 間 小 。代 碼 效 率 低 ， 執(zhí) 行 效 率 不 高 。指 令 長(zhǎng) 度 短 ， 代 碼 密 度 高 ， 代 碼 效 率 高 。執(zhí) 行 效 率 不 高 。指 令 簡(jiǎn) 單 ， 執(zhí) 行 效 率 高 ， 對(duì) 編 譯 程 序 支 持 好 。指 令 長(zhǎng) 度 長(zhǎng) 。本 章 內(nèi) 容現(xiàn)在通用寄存器型已成為主流結(jié)構(gòu)6 之 3 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 根 據(jù) 分 類 標(biāo) 準(zhǔn) 2、 3可 以 分 為 ： 6 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 6 之 5 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容w 針 對(duì) 應(yīng) 用 需 求 ， 對(duì) 指 令 中 各 屬 性 分 布 進(jìn) 行分 析 ， 根 據(jù) 指 令 執(zhí) 行 效 率 確 定 指 令 集 風(fēng) 格w 根 據(jù) 各 種 指 令 的 各 屬 性 分 布 確 定 寄 存 器 數(shù)及 操 作 數(shù) 個(gè) 數(shù)w 必 須 考 慮 對(duì) OS和 編 譯 程 序 的 支 持 6 之 6 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 w 基 本 概 念w 基 本 數(shù) 據(jù) 表 示w 高 級(jí) 數(shù) 據(jù) 表 示w 數(shù) 據(jù) 表 示 設(shè) 計(jì) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 中 可 以 使 用 和 處 理 的 各 種 數(shù) 據(jù) 的 類 型 ， 主要 有 ： 整 數(shù) 、 布 爾 數(shù) 、 字 符 、 文 件 、 圖 、 表 、 樹 、 陣 列 、隊(duì) 列 、 鏈 表 、 棧 、 向 量 、 串 等 。 能 由 硬 件 直 接 識(shí) 別 和 引 用 （ 即 有 相 應(yīng) 運(yùn) 算 指 令 和 有 硬件 支 持 ） 的 數(shù) 據(jù) 類 型 ， 例 如 ： 定 點(diǎn) 數(shù) 據(jù) 表 示 、 邏 輯 數(shù) 據(jù) 表示 、 浮 點(diǎn) 數(shù) 據(jù) 表 示 等 。 帶 有 結(jié) 構(gòu) 的 數(shù) 據(jù) 元 素 的 集 合 ， 例 如 ： 串 、 隊(duì) 列 、 棧 、向 量 、 陣 列 、 鏈 表 、 樹 、 圖 等 。 3 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 3 之 2w 數(shù) 據(jù) 表 示 和 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 都 是 數(shù) 據(jù) 類 型 的 子 集 ；w 數(shù) 據(jù) 表 示 是 數(shù) 據(jù) 類 型 中 最 常 用 、 也 是 相 對(duì) 較 簡(jiǎn)單 ， 用 硬 件 實(shí) 現(xiàn) 相 對(duì) 比 較 容 易 的 ；w 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 由 軟 件 進(jìn) 行 實(shí) 現(xiàn) ， 轉(zhuǎn) 換 成 數(shù) 據(jù) 表 示 。 確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實(shí)確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示實(shí)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(wèn)題。現(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問(wèn)題?，F(xiàn)，是軟件與硬件的取舍問(wèn)題。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 3 之 3 數(shù) 據(jù) 類 型 是 指 令 系 統(tǒng) 的 核 心 內(nèi) 容 ， 系 統(tǒng)結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 者 在 設(shè) 計(jì) 時(shí) 應(yīng) 首 先 確 定 ： Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 定 點(diǎn) 數(shù) 、 浮 點(diǎn) 數(shù) 、 十 進(jìn) 制 數(shù) 、 邏 輯 數(shù) 、 字 符 等 。 支 持 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) ， 提 高 系 統(tǒng) 效 率 和 性 能 /價(jià) 格 。w 根 據(jù) 應(yīng) 用 需 求 ， 設(shè) 計(jì) 各 種 參 數(shù) 、 指 標(biāo) 。 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示 的 設(shè) 計(jì) 。 2 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 w 浮 點(diǎn) 數(shù) 格 式w 浮 點(diǎn) 數(shù) 尾 數(shù) 基 值 選 擇w 浮 點(diǎn) 數(shù) 尾 數(shù) 下 溢 處 理w 浮 點(diǎn) 數(shù) 格 式 設(shè) 計(jì)本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 2 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 兩 個(gè) 符 號(hào) ：:尾 數(shù) 符 號(hào):階 碼 符 號(hào)本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示1位 1位 q位 p位mf ef e m兩 個(gè) 數(shù) 值 ：:尾 數(shù) 的 值 :階 碼 的 值兩 個(gè) 基 ：:尾 數(shù) 的 基:階 碼 的 基 兩 個(gè) 字 長(zhǎng) ： :尾 數(shù) 的 長(zhǎng) 度 :階 碼 的 長(zhǎng) 度 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 隨 rm加 大 ， 范 圍 加 大 。 隨 rm加 大 ， 個(gè) 數(shù) 增 多 。 隨 rm加 大 ， 精 度 變 低 。 隨 rm加 大 ， 損 失 變 小 。 隨 rm加 大 ， 速 度 變 快 。 rm的 選 擇 應(yīng) 根 據(jù) 應(yīng) 用 需要 來(lái) 綜 合 平 衡 ： m 尾 數(shù) 字 長(zhǎng) 較 長(zhǎng) 可 以 彌 補(bǔ)精 度 的 損 失 。 m 提 高 的 精 度 可 以 彌 補(bǔ) 尾數(shù) 字 長(zhǎng) 較 短 的 不 足 。本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 在 浮 點(diǎn) 數(shù) 操 作 （ 相 加 、 相 乘 、右 移 等 ） 過(guò) 程 中 產(chǎn) 生 的 下 溢 會(huì) 造成 精 度 的 損 失 。 設(shè) 計(jì) ， 有 多 種 方法 ， 不 同 的 方 法 有 不 同 的 優(yōu) 點(diǎn) 和缺 點(diǎn) ， 其 出 發(fā) 點(diǎn) 和 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 也 不一 樣 ， 應(yīng) 根 據(jù) 需 要 進(jìn) 行 選 擇 。 w 截 斷 法 w 舍 入 法 w 恒 置 “ 1” 法 w 查 表 舍 入 法 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示 碼 制 可 以 采 用 原 碼 或 補(bǔ) 碼 ， 數(shù) 制 可 以 采 用 整 數(shù)或 小 數(shù) ， 基 可 以 采 用 二 進(jìn) 制 、 四 進(jìn) 制 、 八 進(jìn) 制 、十 進(jìn) 制 或 十 六 進(jìn) 制 。 多 數(shù) 機(jī) 器 采 用 表示 ， 尾 數(shù) 的 基 r m 。 碼 制 可 以 采 用 移 碼 或 補(bǔ) 碼 ， 數(shù) 制 采 用 整 數(shù) ， 基re=2。 一 般 機(jī) 器 都 采 用 表 示 。 2 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 浮 點(diǎn) 數(shù) 數(shù) 據(jù) 表 示 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。w 階 碼 長(zhǎng) 度 q 影 響 表 數(shù) 范 圍 。 尾 數(shù) 長(zhǎng) 度 p 影 響 表 數(shù) 精 度 。 尾 數(shù) 基 值 rm 影 響 表 數(shù) 范 圍 、 精 度 及 數(shù) 在 數(shù) 軸 上 分 布 離 散 程 度 。 2 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 堆 棧 、 向 量 、 數(shù) 組 （ 隊(duì) 列 ） 、 記 錄 、 自 定 義 數(shù)據(jù) 表 示 等 。 支 持 數(shù) 據(jù) 結(jié) 構(gòu) ， 提 高 系 統(tǒng) 效 率 和 性 能 /價(jià) 格 。 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 。 2 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 w 存 在 問(wèn) 題w 解 決 方 法 帶 標(biāo) 志 符 的 數(shù) 據(jù) 表 示 法 數(shù) 據(jù) 描 述 符 表 示 法 2 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 在 高 級(jí) 語(yǔ) 言 與 機(jī) 器 語(yǔ) 言 之 間 存 在 著 很 大的 語(yǔ) 義 差 距 （ 例 如 ：） ， 增 加 了 編 譯 程 序 的 負(fù) 擔(dān) ， 能 否 在設(shè) 計(jì) 機(jī) 器 語(yǔ) 言 時(shí) ， 縮 短 與 高 級(jí) 語(yǔ) 言 之 間 的 差距 ？ Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 每 個(gè) 數(shù) 據(jù) 的 格 式 為 ： n 在 B5000大 型 機(jī) 中 ， 每 個(gè) 數(shù) 據(jù) 有 一 位 標(biāo) 志 符n 在 B6500/B7500大 型 機(jī) 中 ， 每 個(gè) 數(shù) 據(jù) 有 三 位 標(biāo) 志n 在 R-2巨 型 機(jī) 中 采 用 10位 標(biāo) 志 符10位 標(biāo) 志 符功 能 數(shù) 值陷 井 封 寫 類 型 校 驗(yàn)2位 2位 1位 4位 1位標(biāo) 志 符 數(shù) 值 標(biāo) 志 符 由 編 譯 器 或其 它 系 統(tǒng) 軟 件 建 立 ， 對(duì)一 般 高 級(jí) 語(yǔ) 言 程 序 員 和計(jì) 算 機(jī) 用 戶 透 明 。 4 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 簡(jiǎn) 化 指 令 系 統(tǒng) 和 程 序設(shè) 計(jì) 簡(jiǎn) 化 編 譯 程 序 便 于 硬 件 實(shí) 現(xiàn) 一 致 性校 驗(yàn) 能 由 硬 件 自 動(dòng) 完 成 數(shù)據(jù) 類 型 的 變 換 為 軟 件 調(diào) 試 和 應(yīng) 用 軟件 開 發(fā) 提 供 支 持 支 持 了 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 系 統(tǒng) 的實(shí) 現(xiàn) 與 數(shù) 據(jù) 類 型 無(wú) 關(guān)的 要 求 數(shù) 據(jù) 和 指 令 的 長(zhǎng) 度 可能 不 一 致 指 令 執(zhí) 行 速 度 降 低 ，程 序 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間 、 編 譯時(shí) 間 和 調(diào) 試 時(shí) 間 縮 短 硬 件 復(fù) 雜 度 增 加 。 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 4 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 存 儲(chǔ) 空 間 將 會(huì) 增 加 。w 合 理 地 設(shè) 計(jì) 和 使 用 會(huì) 不 增反 降 。w 數(shù) 據(jù) 字 增 加 ， 指 令 字縮 小 編 譯 程 序 縮 短 ， 目 的程 序 縮 短本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 數(shù) 據(jù) 字 長(zhǎng)加 長(zhǎng) 數(shù) 據(jù)指 令指令字長(zhǎng)縮短 采 用 標(biāo) 志 符的 指 令 字 長(zhǎng)標(biāo) 志 符 長(zhǎng) 度不 采用 標(biāo)志 符的 指令 和數(shù) 據(jù)字 長(zhǎng)采 用 標(biāo) 志 符 的 數(shù) 據(jù) 長(zhǎng) 度 4 之 3 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 假 設(shè) X處 理 機(jī) 的 數(shù) 據(jù) 不帶 標(biāo) 志 符 ， 其 指 令 字 長(zhǎng) 和 數(shù)據(jù) 字 長(zhǎng) 均 為 32位 ； Y處 理 機(jī)的 數(shù) 據(jù) 帶 標(biāo) 志 符 ， 數(shù) 據(jù) 字 長(zhǎng)增 加 至 35位 ， 其 中 3位 是 標(biāo)志 符 ， 其 指 令 字 長(zhǎng) 由 32位 減少 至 30位 。 并 假 設(shè) 一 條 指 令平 均 訪 問(wèn) 兩 個(gè) 操 作 數(shù) ， 每 個(gè)操 作 數(shù) 平 均 被 訪 問(wèn) R次 。 分別 計(jì) 算 一 個(gè) 有 I條 指 令 的 程序 在 這 兩 種 不 同 類 型 的 處 理機(jī) 中 所 占 用 的 存 儲(chǔ) 空 間 。 程 序 在 X中 的 存 儲(chǔ) 空 間 ： 程 序 在 Y中 的 存 儲(chǔ) 空 間 ： 二 者 的 比 值 為 ：當(dāng) R 3時(shí) 有 B Y/BX 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 R IIB Y 35230 3216 351532232 35230 RRR II R IIBBXY R IIBX 32232 4 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示w 對(duì) 于 許 多 連 續(xù) 存 放 的 同 屬 性 數(shù) 據(jù) ， 例 如 ： 向量 、 矩 陣 、 多 維 數(shù) 組 等 ， 可 以 采 用 一 個(gè) 數(shù) 據(jù) 描 述符 作 用 于 這 樣 的 一 組 數(shù) 據(jù) ， 而 沒(méi) 有 必 要 讓 每 個(gè) 數(shù)據(jù) 都 帶 標(biāo) 志 符 。 以 Burroughs公 司 生 產(chǎn) 的 機(jī) 中 采 用 的數(shù) 據(jù) 描 述 符 表 示 方 法 進(jìn) 行 介 紹 。 5 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示101 數(shù) 據(jù) 塊 起 始 地 址標(biāo) 志 位 數(shù) 據(jù) 塊 長(zhǎng) 度000 數(shù) 值 5 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示 5 之 3101000000 101操 作 碼 x y 指 令 主 存 儲(chǔ) 器101101 地 址 形成 邏 輯寄 存 器描 述 符 （ 數(shù) 據(jù) ）（ 數(shù) 據(jù) ）描 述 符 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示101 標(biāo) 志 3101 標(biāo) 志 4101 標(biāo) 志 4101 標(biāo) 志 4 000 a11000 a12000 a13000 a14 000 a21000 a22000 a23000 a24000 a31000 a32000 a33000 a34OPC X Y 5 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 自 定 義 數(shù) 據(jù) 表 示w 整 塊 數(shù) 據(jù) 可 一 次 性 操 作 簡(jiǎn) 化 編 譯 中 的 代 碼 生 成 標(biāo) 志 符 是 和 每 個(gè) 數(shù) 據(jù) 相 連 ， 合 存 于 一 個(gè) 存 儲(chǔ)單 元 中 ， ； 描 述 符 是和 數(shù) 據(jù) 分 開 存 放 的 ， 。 5 之 5 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 確 定 哪 些 數(shù) 據(jù) 類 型 用 數(shù) 據(jù) 表 示 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的原 則 主 要 有 ： w 原 則 一w 原 則 二 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 數(shù) 據(jù) 表 示 設(shè) 計(jì) 主 存 和 處 理 機(jī) 間 所 需 傳 送 的 消 息 量 有 否 減 少 高 速 運(yùn) 算 部 件 是 否 節(jié) 省 了 時(shí) 間 是 否 節(jié) 省 了 大 量 的 輔 助 操 作 （ 由 硬 件 完 成 ） 是 否 節(jié) 省 了 編 譯 所 需 要 的 時(shí) 間 向 量 數(shù) 據(jù) 表 示 的 引 入 （ 例 如 ： 兩 個(gè) 200 200的 定 點(diǎn) 數(shù)矩 陣 相 加 ） 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 數(shù) 據(jù) 表 示 數(shù) 據(jù) 表 示 設(shè) 計(jì) 盡 管 堆 棧 操 作 速 度 很 快 ， 但 矩 陣 運(yùn) 算 效 率 卻 降 低 了 。 還 需 要 解 決 通 用 性 問(wèn) 題 、 如 何 高 效 地 實(shí) 現(xiàn) 不 同 的 數(shù) 據(jù) 結(jié)構(gòu) 、 如 何 確 定 陣 列 型 數(shù) 據(jù) 表 示 的 規(guī) 模 等 。 堆 棧 、 向 量 、 鏈 表 等 結(jié) 構(gòu) 的 實(shí) 現(xiàn) 低 效 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 尋 址 技 術(shù) 就 是 尋 找 操 作數(shù) 及 其 他 信 息 的 地 址 的 技 術(shù) ，它 是 軟 件 和 硬 件 的 一 個(gè) 主 要分 界 面 。 寄 存 器 、 主 存 儲(chǔ) 器 、 堆棧 和 輸 入 輸 出 設(shè) 備 。 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) 。本 章 內(nèi) 容 w 編 址 方 式w 尋 址 方 式w 定 位 方 式 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù)w 編 址 單 位w 零 地 址 空 間 個(gè) 數(shù)wI/O設(shè) 備 的 編 址 技 術(shù)w 并 行 存 儲(chǔ) 器 的 編 址 技 術(shù) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式w 字 編 址w 字 節(jié) 編 址w 位 編 址 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 。 即 ， 每 個(gè) 編址 單 位 所 包 含 的 信 息 量 （ 例 ： 二 進(jìn) 制 位 數(shù) ） 與 訪 問(wèn) 一 次 設(shè)備 （ 指 讀 或 寫 ） 所 獲 得 的 信 息 量 是 相 同 的 。 實(shí) 現(xiàn) 很 簡(jiǎn) 單 ， 地 址 信 息 、 存 儲(chǔ) 器 容 量 等 沒(méi) 有 任 何 浪 費(fèi) 。 沒(méi) 有 對(duì) 非 數(shù) 值 計(jì) 算 的 應(yīng) 用 （ 要 求 按 字 節(jié) 編 址 ， 因 為 它的 基 本 尋 址 單 位 是 字 節(jié) ） 提 供 支 持 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 每 個(gè) 編 址 單 位 是 字 節(jié) 。w 編 址 單 位 與 信 息 的 基 本單 位 （ 一 個(gè) 字 節(jié) ） 相 一 致 。w 地 址 空 間 的 浪 費(fèi) 。 因 為 每 個(gè) 編 址 單 位 所 包含 的 信 息 量 （ 一 個(gè) 字 節(jié) ） 與訪 問(wèn) 一 次 設(shè) 備 所 獲 得 的 信 息量 （ 通 常 是 一 個(gè) 字 ： 字 節(jié) 的4倍 以 上 ） 不 相 同 ， 從 而 就產(chǎn) 生 了 數(shù) 據(jù) 如 何 在 存 儲(chǔ) 器 里存 放 的 問(wèn) 題 。 有 三 種 ： （ 1、 2、 3）本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 不 浪 費(fèi) 存 儲(chǔ) 器 資 源 。 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 字 節(jié) 編 址 n 增加讀取時(shí)間（可能需要兩個(gè)存儲(chǔ)周期）n 存儲(chǔ)器的讀寫控制比較復(fù)雜字 單 -字 節(jié)單 字字 半 -單 字字 雙 -半 字字 節(jié) 存 儲(chǔ) 字 長(zhǎng) ： 64位 （ 8字 節(jié) ）主 存 空 間 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 浪 費(fèi) 存 儲(chǔ) 器 資 源 。 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 字 節(jié) 編 址 n 讀取都可以在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成n 存儲(chǔ)器的讀寫控制比較簡(jiǎn)單存 儲(chǔ) 字 長(zhǎng) ： 64位 （ 8字 節(jié) ）主 存 空 間字 節(jié) 浪 費(fèi)半 字 浪 費(fèi)單 字 浪 費(fèi)雙 字 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 性能是前兩種方法的折中 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 字 節(jié) 編 址存 儲(chǔ) 字 長(zhǎng) ： 64位 （ 8字 節(jié) ）主 存 空 間字 節(jié) 浪 費(fèi)雙 字單 字 浪 費(fèi)雙 字字 節(jié) 浪 費(fèi) 單 字雙 字字 節(jié) 浪 費(fèi) 半 字xx00 xx08xx10 xx18xx20 xx28xx30地 址 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 編 址 單 位 每 個(gè) 編 址 單 位 是 位 。 同 字 節(jié) 編 址 ， 只 不 過(guò) 地 址 信 息 的 浪 費(fèi) 更大 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 通 用 寄 存 器 、 主 存 儲(chǔ) 器 和 輸 入 輸 出 設(shè) 備 均 獨(dú) 立 編 址 。 主 存 儲(chǔ) 器 與 輸 入 輸 出 設(shè) 備 統(tǒng) 一 編 址 。w 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 。 所 有 存 儲(chǔ) 設(shè) 備 都 無(wú) 需 編 址 ， 例 如 ： 堆 棧 、 Cache等 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 對(duì) I/O設(shè) 備 本 身 進(jìn) 行 編 址 ， 沒(méi) 有 對(duì) 寄 存 器 進(jìn) 行 編 址 。 一 個(gè) 地 址 是 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 ， 另 一 個(gè) 是 狀 態(tài) 或 控 制 寄 存 器 。 根 據(jù) 各 種 I/O設(shè) 備 的 不 同 需 要 為 它 分 配 不 同 數(shù) 據(jù) 的 地 址 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式w 高 位 交 叉 編 址 主 要 目 的 是 用 來(lái) 擴(kuò) 大 存 儲(chǔ) 器 容 量 。w 低 位 交 叉 編 址 主 要 目 的 是 提 高 存 儲(chǔ) 器 速 度 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 并 行 存 儲(chǔ) 器 的 編 址 技 術(shù)MBR存 儲(chǔ) 體 0MAR0.00.00.0F.F MBR存 儲(chǔ) 體 1MAR0.10.00.1F.F MBR存 儲(chǔ) 體n-1MARF.F0.0F.FF.F 譯 碼 器 高 位 地 址 寄 存 器 （ 低 位 ） 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 地 址 寄 存 器 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 編 址 方 式 并 行 存 儲(chǔ) 器 的 編 址 技 術(shù) MBR存 儲(chǔ) 體 0MAR0.00.0F.F0.0 MBR存 儲(chǔ) 體 1MAR0.00.1F.F0.1 MBR存 儲(chǔ) 體n-1MAR0.0F.FF.FF.F 譯 碼 器 地 址 寄 存 器 （ 高 位 ） （ 低 位 ） 數(shù) 據(jù) 寄 存 器 地 址 寄 存 器 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù)w 常 用 尋 址 方 式w 尋 址 方 式 選 擇w 尋 址 方 式 參 數(shù) 大 小 選 擇 常用尋址方式的含義和使用 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 尋 址 方 式 使 用 根 據(jù) 指 令 系 統(tǒng) 風(fēng) 格 和 各種 尋 址 方 式 的 使 用 頻 率 ， 選 擇 高 頻 率 的 尋 址方 式 。 在 VAX指 令 集 機(jī) 器 上 運(yùn) 行 gcc、 Spice和Tex基 準(zhǔn) 程 序 ， 各 種 尋 址 方 式 的 分 布 見(jiàn) 圖 。 2 之 1 偏 移 尋 址 和 立 即 數(shù) 使 用 頻 率 很 高 ， 必 須 支 持這 兩 種 方 式 ； 對(duì) 其 他 尋 址 方 式 ， 則 應(yīng) 根 據(jù) 軟 、硬 取 舍 原 則 進(jìn) 行 選 擇 。 2 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 尋 址 方 式 根 據(jù) 進(jìn) 行 分 析 和 選 擇 。 偏 移 尋 址 參 數(shù) 大 小 選 擇 立 即 數(shù) 參 數(shù) 大 小 選 擇 偏 移 尋 址 方 式 中 的 地址 長(zhǎng) 度 至 少 為 12 16bit（ 75% 99%） 。偏 移 的 范 圍 如 何 確定 ， 因 為 其 大 小 直 接影 響 指 令 的 長(zhǎng) 度 。 在Alpha 體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用SPEC CPU2000 測(cè)試所得結(jié)果 立 即 數(shù) 尋 址 模 式 中 的 立即 數(shù) 字 段 長(zhǎng) 度 至 少 為 816bit（ 50% 80%） 。 立 即 數(shù) 的 取 值 范 圍 如何 確 定 ， 因 為 其 大 小 直接 影 響 指 令 的 長(zhǎng) 度 。 在Alpha 體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)上使用SPEC CPU2000 測(cè)試所得結(jié)果 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 尋 址 技 術(shù) 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 地 址 就 已 經(jīng) 確 定 了 的 稱 為 直 接 定 位 方 式 。 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 為 靜 態(tài) 定 位 方 式 。 在 程 序 執(zhí) 行 過(guò) 程 中 ， 當(dāng) 訪 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 為 動(dòng) 態(tài) 定 位 方 式 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 w 指 令 的 組 成w 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)w 地 址 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)w 指 令 字 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 指 令 一 般 由 兩 部 分 組 成 ： 和 。 由 兩 部 分 組 成 ： 指 令 的 操 作 種 類 所 用 操 作 數(shù) 的 類 型 由 三 部 分 組 成 ： 操 作 數(shù) 地 址 地 址 的 附 加 信 息 尋 址 方 式 2 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)程 序 的w 指 令 格 式 要 ， 以 減 少 硬 件 譯 碼的 復(fù) 雜 度 2 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)w 評(píng) 價(jià) 方 法w 固 定 長(zhǎng) 度 操 作 碼wHuffman編 碼w 擴(kuò) 展 編 碼 法 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)其 中 ：表 示 第 i種 操 作 碼 在 程 序中 出 現(xiàn) 的 概 率 ；表 示 第 i種 操 作 碼 的 編 碼長(zhǎng) 度 ； 操 作 碼 的 總 數(shù) 。 其 中 ：為 信 息 熵 （ 理 論 上 的 最 短平 均 碼 長(zhǎng) ） 。 2 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 為 增 加 可 比 性 ， 對(duì) 下 面 介 紹 的 編 碼 方 法采 用 同 一 例 子 ： 。 2 之 2指 令 I 1概 率 0.45 I20.30 I30.15 I40.05 I50.03 I60.01 I70.01 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 所 有 指 令 的 操 作 碼 長(zhǎng) 度 都 是 相 同 的 。 如 果 需 要編 碼 的 指 令 有 n條 ， 則 固 定 長(zhǎng) 度 操 作 碼 的 位 數(shù) 至 少需 要 log2n 位 。 目 前 許 多 的 RISC采 用 該 思 想 。 H=1.95； l=3； R=35%w 非 常 規(guī) 整 ， 硬 件 譯 碼 也 很 簡(jiǎn) 單 。浪 費(fèi) 嚴(yán) 重 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 概 率 高 的 用 短 位 數(shù) 表 示 ， 概 率 低 的 用 長(zhǎng) 位 數(shù) 表示 。 利 用 Huffman樹 實(shí) 現(xiàn) 。 是 最 優(yōu) 化 的 編 碼 方 式 （ 平 均 碼 長(zhǎng) 最 短 ， 信 息 的冗 余 量 最 小 ） ， 但 操 作 碼 很 不 規(guī) 整 。 4 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)1. 把 所 有 指 令 按 照 使 用 概 率 自 左 向 右 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 “ 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(guò) 的 代 碼 組 合 起 來(lái) 得 到 這 條 指令 的 操 作 碼 編 碼 。 4 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)0.45 0.30 0.15 0.05 0.03 0.01 0.011.000.550.250.100.050.020 10 10 10 10 10 1 4 之 3 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)指 令 序 號(hào) 概 率 Huffman編 碼 法 操 作 碼 長(zhǎng) 度I1 0.45 0 1位I2 0.30 10 2位I3 0.15 110 3位I4 0.05 1110 4位I 5 0.03 11110 5位I6 0.01 111110 6位I7 0.01 111111 6位H=1.95； l=1.97； R1% 4 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 是 固 定 長(zhǎng) 度 操 作 碼 和 Huffman編 碼 法 相 結(jié) 合 形成 的 。 即 ： 。 有 多 種 擴(kuò) 展 編 碼 ， 等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 （ 例 如 ： 4-8-12、3-6-9等 ） ？ 不 等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 （ 例 如 ： 4-6-10等 ） ？ 取 決 于 具 體 指 令 的 使 用 頻 度 的 分 布 。 5 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)序 號(hào) 概 率 1-2-3-5擴(kuò) 展 編 碼I1 0.45 0I2 0.30 10I3 0.15 110I4 0.05 11100I5 0.03 11101I 6 0.01 11110I7 0.01 11111 2-4等 長(zhǎng) 擴(kuò) 展 編 碼0001101100110111101111平 均 碼 長(zhǎng) 2.0 2.2信 息 冗 余 量 2.5% 11.4% 5 之 2 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)操 作 碼 編 碼 說(shuō) 明000000011110 4位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 15種1111 00001111 00011111 1110 8位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 15種1111 1111 00001111 1111 0001 1111 1111 1110 12位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 16種 5 之 3 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)操 作 碼 編 碼 說(shuō) 明000000010111 4位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 8種1000 00001000 00011111 0111 8位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 64種1000 1000 00001000 1000 0001 1111 1111 0111 12位 長(zhǎng) 度 的 操 作 碼共 512種 5 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 5 之 5編 碼 方 法 各 種 不 同 長(zhǎng) 度 操 作 碼 的 指 令 種 類 總 的指 令 種 類4位 操 作 碼 6位 操 作 碼 10位 操 作 碼15/3/16 15 3 16 348/31/16 8 31 16 558/30/32 8 30 32 708/16/256 8 16 256 280 4/32/256 4 32 256 292 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)w 地 址 個(gè) 數(shù) 的 選 擇w 優(yōu) 化 單 個(gè) 地 址 碼 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 地 址 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì)地 址 數(shù) 目 指 令條 數(shù) 程 序存 儲(chǔ) 量 程 序 執(zhí)行 速 度 適 用 場(chǎng) 合三 地 址 少 最 大 一 般 向 量 、 矩 陣 運(yùn) 算 為 主二 地 址 一 般 很 大 很 低 一 般 不 宜 采 用一 地 址 較 多 較 大 較 快 連 續(xù) 運(yùn) 算 ， 硬 件 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 零 地 址 最 多 最 小 最 低 嵌 套 、 遞 歸 、 變 量 較 多二 地 址 R型 一 般 最 小 最 快 多 累 加 器 、 數(shù) 據(jù) 傳 送 較 多采 用 各 種 不 同 地 址 數(shù) 指 令 編 寫 的 程 序 的 特 點(diǎn) 和 適 用 范 圍 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 地 址 碼 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 要 用 一 個(gè) 較 短 的 地 址 碼 表 示 一 個(gè) 較 大 的 邏 輯 地址 空 間 ， 同 時(shí) 還 要 有 較 靈 活 有 效 的 尋 址 方 式 。w 用 間 址 尋 址 方 式 縮 短 地 址 碼 長(zhǎng) 度 用 變 址 尋 址 方 式 縮 短 地 址 碼 長(zhǎng) 度 用 寄 存 器 間 接 地 址 方 式 縮 短 地 址 碼 長(zhǎng) 度 （ 是最 有 效 的 方 法 ） Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 格 式 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 操 作 碼 和 地 址 碼 的 優(yōu) 化 ， 會(huì) 造 成 指 令 字的 不 定 長(zhǎng) ， 無(wú) 法 同 時(shí) 滿 足 速 度 快 和 空 間 省 。 合 理 結(jié) 合 ， 形 成 定 長(zhǎng) 或 多 種 長(zhǎng) 度 的 指 令字 ， 例 如 ： 長(zhǎng) 操 作 碼 配 短 地 址 碼 等 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容w 指 令 系 統(tǒng) 性 能w 基 本 指 令 系 統(tǒng)w 指 令 系 統(tǒng) 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 復(fù) 雜 指 令 系 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) （ CISC） 精 簡(jiǎn) 指 令 系 統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) （ RISC） Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 是 指 作 為 通 用 計(jì) 算 機(jī) 所 應(yīng) 該 具 備 的 基 本 指 令 種 類 。w 是 指 指 令 的 執(zhí) 行 速 度 要 快 ， 使 用 頻 度 要 高 。 例 如 ： 在RISC體 系 結(jié) 構(gòu) 中 ， 大 多 數(shù) 指 令 都 能 在 一 個(gè) 節(jié) 拍 內(nèi) 完 成 ， 而且 只 設(shè) 置 那 些 使 用 頻 度 高 的 指 令 。w 是 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 的 生 命 力 之 所 在 。 4 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 4 之 2 是 硬 件 設(shè) 計(jì) （ 如 ： VLSI技 術(shù) ） 和 軟 件 設(shè) 計(jì) （ 如 ： 編 譯 程序 ） 的 需 要 。 規(guī) 整 性 主 要 包 括 ： 對(duì) 稱 性 和 均 勻 性 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 規(guī) 整 性 4 之 3 ： 所 有 的 通 用 寄 存 器 要 同 等 對(duì) 待： 如 果 設(shè) 置 A-B指 令 ， 則 也 應(yīng) 該 設(shè) 置 B-A指 令 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 規(guī) 整 性 4 之 4 ： 某 機(jī) 器 有 5種 數(shù) 據(jù) 表 示 、 4種 字 長(zhǎng) 、 8種 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 設(shè) 備 ， 則 在 設(shè) 計(jì) 加 法 指 令 時(shí) ， 指令 種 類 應(yīng) 該 是 ： 5 4 8 160種 兩 地 址 加法 指 令 （ 不 可 能 也 不 太 現(xiàn) 實(shí) ） 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 在 設(shè) 計(jì) 通 用 計(jì) 算 機(jī) 時(shí) ， 指 令 系 統(tǒng) 的 完 整性 是 必 須 要 考 慮 的 ， 基 本 指 令 有 ：w 數(shù) 據(jù) 傳 送 類 指 令w 運(yùn) 算 類 指 令w 程 序 控 制 指 令w 輸 入 輸 出 指 令w 處 理 機(jī) 控 制 和 調(diào) 試 指 令 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) 增 強(qiáng) 原 有 指 令 的 功 能 以 及 設(shè) 置 更 為 復(fù) 雜 的 新 指令 取 代 原 先 由 軟 件 子 程 序 完 成 的 功 能 ， 實(shí) 現(xiàn) 軟 件功 能 的 硬 化 。 從 面 向 目 標(biāo) 程 序 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 指 令 系 統(tǒng) 從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 指 令 系 統(tǒng) 從 面 向 操 作 系 統(tǒng) 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 指 令 系 統(tǒng) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISCw 縮 短 目 標(biāo) 程 序 的 長(zhǎng) 度 ， 即 減 少 程 序 的 空 間 開 銷 縮 短 目 標(biāo) 程 序 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 ， 即 減 少 程 序 的 時(shí) 間開 銷 對(duì) 大 量 已 有 的 目 標(biāo) 程 序 及 其 執(zhí) 行 情 況 進(jìn) 行 ，按 統(tǒng) 計(jì) 出 的 各 種 指 令 和 指 令 串 的 來(lái) 分 析 改進(jìn) 。 4 之 1 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC 4 之 2 是 指 對(duì) 多 種 典 型 程 序 中 所 用 的 指 令 和 指令 串 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) 所 得 出 的 百 分 比 （ 著 眼 于 減 少 目 標(biāo)程 序 所 占 用 的 存 儲(chǔ) 空 間 ） 。 是 指 對(duì) 多 種 典 型 程 序 所 執(zhí) 行 的 指令 和 指 令 串 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) 所 得 出 的 百 分 比 （ 著 眼 于 減少 目 標(biāo) 程 序 的 執(zhí) 行 時(shí) 間 ） 。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：指令動(dòng)態(tài)使用頻度指令靜態(tài)使用頻度 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC對(duì) 使 用 頻 率 高 的 指 令 , 增 強(qiáng) 其 功 能 、 加 快其 執(zhí) 行 速 度 并 縮 短 字 長(zhǎng) ；對(duì) 使 用 頻 率 高 的 指 令 串 , 增 設(shè) 新 指 令 來(lái) 替代 它 ；對(duì) 使 用 頻 率 低 的 指 令 , 取 消 或 合 并 ,但 要 考慮 到 指 令 系 統(tǒng) 的 兼 容 性 問(wèn) 題 。 4 之 3 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC例 如 ： 循 環(huán) 在 程 序 中 占 有 相 當(dāng) 大 的 比例 ， 所 以 在 指 令 上 提 供 專 門 的 支 持 。w 循 環(huán) 控 制 部 分 通 常 用 3條 指 令 完 成 n 一 條 加 法 指 令n 一 條 比 較 指 令n 一 條 分 支 指 令w 設(shè) 置 循 環(huán) 控 制 指 令 ， 用 一 條 指 令 完成 上 述 3條 指 令 的 功 能 。 4 之 4 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC 盡 可 能 減 小 高 級(jí) 語(yǔ) 言 和 機(jī) 器 語(yǔ) 言 之 間 的 語(yǔ) 義 差距 ， 以 利 于 支 持 高 級(jí) 語(yǔ) 言 編 譯 器 （ 縮 短 編 譯 器 的代 碼 長(zhǎng) 度 及 編 譯 時(shí) 間 ） 的 構(gòu) 造 。 增 強(qiáng) 對(duì) 高 級(jí) 語(yǔ) 言 支 持 的 指 令 的 功 能 增 強(qiáng) 對(duì) 編 譯 程 序 支 持 的 指 令 的 功 能 高 級(jí) 語(yǔ) 言 計(jì) 算 機(jī) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 對(duì) 源 程 序 中 各 種 高 級(jí) 語(yǔ) 言 語(yǔ) 句 的 靜 態(tài) /動(dòng) 態(tài) 使 用頻 度 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) 分 析 來(lái) 改 進(jìn) 。 高 級(jí) 語(yǔ) 言 因 用 途 不 同 ， 其 語(yǔ) 句 使 用 頻 度 有 較 大差 異 ， 因 此 指 令 系 統(tǒng) 很 難 做 到 對(duì) 各 種 語(yǔ) 言 都 是 優(yōu)化 的 。 優(yōu) 化 你 所 用 的 高 級(jí) 語(yǔ) 言 。 Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 縮 短 高 級(jí) 語(yǔ) 言 和 機(jī) 器 語(yǔ) 言 之 間 的 語(yǔ) 義 差 距 。w 如 果 計(jì) 算 機(jī) 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 過(guò) 分 優(yōu) 化 于 一 種 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 實(shí) 現(xiàn) ，就 會(huì) 顯 著 減 低 與 其 語(yǔ) 義 結(jié) 構(gòu) 相 差 較 大 的 其 它 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 實(shí)現(xiàn) 效 率 。w 同 時(shí) 面 向 各 種 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 動(dòng) 態(tài) 自 適 應(yīng) 指 令 系 統(tǒng) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 增 強(qiáng) 支 持 編 譯 程 序 指 令 的 功 能 可 以 設(shè) 法 改 進(jìn) 指 令 系 統(tǒng) ， 使 它 與 各 種 高 級(jí) 語(yǔ)言 的 語(yǔ) 義 差 距 都 有 共 同 的 縮 小 。Von Neumann系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)右 移 COBOLPL/IAPL FORTRANBASIC Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 增 強(qiáng) 支 持 編 譯 程 序 指 令 的 功 能 讓 機(jī) 器具 有 分 別 面向 各 種 高 級(jí)語(yǔ) 言 的 多 種指 令 系 統(tǒng) 、多 種 系 統(tǒng) 結(jié)構(gòu) ， 并 能 動(dòng)態(tài) 地 切 換 。 微 程 序 機(jī) 器面 向BASIC系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 面 向FORTRAN系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 面 向COBOL系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu)BASIC虛 擬 機(jī) FORTRAN虛 擬 機(jī) COBOL虛 擬 機(jī) Computer ArchitectureV3同濟(jì)大學(xué).電子與信息工程學(xué)院.計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系 本 章 內(nèi) 容 指 令 系 統(tǒng) 的 功 能 設(shè) 計(jì) CISC從 面 向 高 級(jí) 語(yǔ) 言 的 優(yōu) 化 實(shí) 現(xiàn) 來(lái) 改 進(jìn) 讓 高 級(jí) 語(yǔ) 言 和 機(jī) 器 語(yǔ) 言 之間 無(wú) 語(yǔ) 義 差 距 。 間 接 執(zhí) 行 高 級(jí) 語(yǔ) 言 機(jī) 器 高 級(jí) 語(yǔ) 言 = 匯 編 語(yǔ) 言 直 接 執(zhí) 行 高 級(jí) 語(yǔ) 言 機(jī) 器 高 級(jí) 語(yǔ) 言 = 機(jī) 器 語(yǔ) 言 微 程 序 機(jī) 器 級(jí)高 級(jí) 語(yǔ) 言 程 序