农学计算机体系结构第二章教学课件

1、第二章数据表示与指令系统第1页，共47页。内容提要 数据表示 寻址方式 指令系统的设计和改进第2页，共47页。数据数据：数据是描述客观事物的一些相互无关的符号。数据元素：是数据的基本单位。数据类型：除了是一组值的集合外，还定义了可作用 于这个集合上的操作集。目的：防止不同类型数据间的误操作分类：基本数据类型、结构数据类型第3页，共47页。1、基本数据类型基本数据类型包括:二进制位及其位串整数及自然数(正整数)实数(浮点数)字符布尔数 第4页，共47页。由一组相互有关的数据元素组合而成的数据类型。常用的结构数据类型有:向量数组字符串堆栈队列记录2、结构数据类型第5页，共47页。2.1.1 数据表

2、示与数据结构第6页，共47页。1、数据表示数据表示是指可由硬件直接识别和引用的数据类型.由硬件实现的数据类型。数据类型包含了数据取值集和可作用其上的操作集，所以，相应的指令及处理部件是识别这些数据类型所必需的。即：对该数据类型的各种运算操作都有相应的实现硬件电路第7页，共47页。2、数据结构数据结构是指结构数据类型的组织方式.它反映了在应用中所用到的各种数据元素或信息单元间的结构关系。除了数据表示之外的所有数据类型，一般都是数据结构要研究的内容。是由软件实现的数据类型。数据表示和数据结构都是数据类型的子集。硬件不能直接辨认与处理的数据类型就要根据数据结构的知识编制软件转化为硬件能处理的数据类型

3、第8页，共47页。2、数据结构数据结构研究的一个主要课题是:1)如何用最少的存储空间来存储这些数据结构；2)采用什么样的算法能最快、最简单地存储和访问这些数据结构.数据表示要考虑的是正确、可靠、便于机器处理和节省存储空间。第9页，共47页。数据表示实质上是软、硬件的主要分界面之一。确定数据表示的实质是一个有关软硬件的取舍问题。 计算机系统结构首先要研究的一个内容是：在所有数据类型中，哪些用硬件实现，哪些用软件实现，并研究它们的实现方法。3、数据结构与数据表示第10页，共47页。（1）关于基本数据表示的讨论数的进制选择例：“二进制表示”和“二-十进制表示”的权衡； 二进制表示在运算速度、信息存储

4、空间方面有优势 但二进制转换为十进制费时，而且有误差。 二-十进制（BCD码）表示所需的存储空间大。事务处理的出现，需要大量的十进制数，增加了十进制运算指令和相应的运算硬件。第11页，共47页。字长的确定例：定点数和浮点数表示的字长的权衡 过短：表示范围小，表示精度低，容易造成运算溢出和机器零。 过长：主存空间开销大 定长表示和某些语言的语义不一致 如COBOL语言提供了可变长数据结构；有力支持了串数据结构的实现。 为把可变长数据映象为定长数据表示，将增加编译的复杂性和编译时间。折中的办法：多种定长数据表示，按位编址（1）关于基本数据表示的讨论第12页，共47页。（2）数据表示的设计原则如何确

5、定数据表示是计算机系统结构设计人员要解决的难题之一。第13页，共47页。确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则:1) 缩短程序的运行时间，2) 减少CPU与主存储器之间的通信量3) 考虑这种数据表示的通用性和利用率。堆栈机：对栈数据结构高效，但矩阵运算效率却很低。树型结构机器：对树数据结构的实现高效，但堆栈、 向量、链表等结构的实现低效。（2）数据表示的设计原则第14页，共47页。例1 如果用定点数据表示实现浮点运算，处理机的运算速度要降低两个数量级。 如果用一台定点运算速度为每秒1千万次的计算机做科学计算，它的实际运算速度将低于每秒十万次。用定点运算指令来实现32位的浮点运算时，平均要执行1

6、00条以上的指令。CPU与主存储器之间的通信量也将增加100多倍。第15页，共47页。例2 实现AA+B，A和B均为200200的矩阵。如果在没有向量数据表示的计算机系统上实现，编译为IBM370机器的目标代码有6条指令，其中4条指令要执行4*104次。因此，CPU与主存储器之间的通信量为：取指令：2+4 40 000条，读或写数据：3 40 000个，共访问主存储器7 40 000次以上。第16页，共47页。例2 实现AA+B，A和B均为200200的矩阵。如果在有向量数据表示的计算机系统上实现，只需要一条指令。从而减少了CPU与主存储器之间的通信量：少取指令4 40 000次，程序执行时间

7、缩短了一半以上。第17页，共47页。因此，在设计计算机系统时，对于数据类型，系统结构设计者要做的是：确定哪些数据类型全部用硬件实现，即数据表示；哪些数据类型用软件实现，即数据结构；哪些数据类型可由硬件给予适当支持,即由软件和硬件共同实现,并确定软件与硬件的适当比例关系.第18页，共47页。2.1.2 高级数据表示第19页，共47页。传统的冯诺依曼计算机中，指令本身指明了操作数据类型.例如对于加法指令，在IBM 370中就要分成定点加、浮点加、十进制加等15种加法指令。高级语言中，同一种运算操作，只采用一个操作符.如 A=A+Breal A,B;A=A+B;int A,B;A=A+B;float

8、 A,B;A=A+B;第20页，共47页。自定义数据表示 带标志符的数据表示 数据描述符 向量数据表示 堆栈数据表示第21页，共47页。1、带标志符的数据表示数据字的格式类型标志 数据值这种表示要求对每一个数据都附加类型标志 B-5000设置了1位标志，用来区分数据字是操作数还是描述符。 B-6500和B-7500设置了3位标志，可区分8种类型。第22页，共47页。R-2设置了10位标志符。信息类型位（ 2位）直接标志位（4位）奇偶位（1位）写封锁位（1位）软件定义捕捉位（2位）信息类型位直接标志位数值二进制数、十进制数、整数、实数、字符串、单精度数、双精度数地址绝对地址、相对地址、链接中的地

9、址1、带标志符的数据表示第23页，共47页。带标志符数据表示的优缺点优点：1）减少指令种类，简化指令系统与程序设计；2）简化了编译器的构造，并加快了编译过程；3）便于一致性检查（由硬件检测）；4）由硬件实现数据类型的转换，可进一步简化编译器，并缩短变换时间；5）支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求；6）为软件调试和应用软件的开发提供了支持。第24页，共47页。带标志符数据表示的优缺点使用带标志符数据表示的主要问题是： 1）程序占用的主存空间增加若有BA程序所占的存储空间反而节省第25页，共47页。使用带标志符数据表示的主要问题是： 2）指令执行速度将减慢（但宏观性能有利）.3）必须用专门

10、的指令完成标志符的初始化.带标志符数据表示的优缺点第26页，共47页。2、数据描述符数据描述符专门用来描述要访问的数据的特性.主要是用来描述复杂和多维结构的数据类型。 指明这是一个数据描述符指明所描述数据的各种特征指明所描述数据的长度，即数组中元素个数指明所描述的一组数据的首址。描述符标志位特征标志数据块长度数据块起始地址第27页，共47页。B-6700计算机的数据描述符数据格式描述符格式000数据101长度地址标志位标志位(8位)另一描述符体系整块或单个数据连续或分段存贮只读或可写字或串单精度或双精度长度块内元素的个数地址块中首元素的地址第28页，共47页。数据描述符与带标志符的不同 标志符

11、要与每个数据相连，两者合起来存在一个存储器单元中，描述单个数据的类型特征 描述符则和数据分开存放，专门用来描述要访问的数 据是整块数据还是单块数据，访问该数据块或数据元素 需要的地址以及其他特征等信息。是对它所指向的数据 块的共性描述，为数据块中所有数据字所共享.第29页，共47页。操作码XY000000101101101101地址生成逻辑指令数据数据.主存储器描述符描述符的工作过程第30页，共47页。例：一维数组的描述第31页，共47页。按行描述按列描述1013101410141014000(a11)000(a12)000(a13)000(a14)000(a21)000(a22)000(a2

12、3)000(a24)000(a31)000(a32)000(a33)000(a34)1014例：二维数组的描述第32页，共47页。3、向量数据表示例如，若要计算ci=ai+bi-4, i=4，5，11的向量加法时，用C语言实现： for(i=4;i=11;i+) ci=ai+bi-4;各条目标码指令只能顺序执行。向量加 A向量参数 B向量参数 C向量参数 第33页，共47页。向量参数（基地址，位移量，向量长度） :指向向量的第一个元素 向量长度 用于校验地址是否越界 基地址位移量起始地址 指向实际参加运算的第一个元素 向量的有效长度 第34页，共47页。Ce=11-4+1A0A1A2A3A4A

13、5A6A7A8A9A10A11AbAd=4As=4Ae=11-4+1C0C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11CbCd=4Cs=4B0B1B2B3B4B5B6B7Bd=0Bb=Bs=0Be=7-0+1c(i)=a(i)+b(i-4)例：ci=ai+bi-4, i=4，5，11第35页，共47页。（1）向量处理机向量处理机（ Vector Processor ）：具有向量表示和相应向量运算指令的计算机。标量处理机（ Scalar Processor ）：不具有向量表示和相应向量运算指令的计算机。第36页，共47页。（2）向量数据 向量的表示 数组 A=(a0,a1,a2,an-1) a

14、i为A的元素，可以为定点数、浮点数、整数等 向量在主存中的存放原则： 规律性、地址计算简单、访存冲突小 元素相邻存放 元素等间距存放第37页，共47页。压缩一般要分为两步实现：1)先形成一个向量Z，它是一个“位向量”，用来指明稀疏向量中各元素的状况及所在位置。2)根据Z向量的内容将稀疏向量中与Z向量中“1”元素相对应的向量元素存入指定存储单元，转变成压缩向量.稀疏向量: 含有大量零元素的向量.（3）稀疏向量第38页，共47页。A0A1(0)A2(0)A3A4A5(0)A6(0)A7A0A3A4A7 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 1 0 0 1 1 0 0 1稀疏向量 压缩向量

15、 Z向量（有序向量） 第39页，共47页。4、堆栈数据表示堆栈机器： 具有堆栈数据表示的机器。第40页，共47页。堆栈机器特点： (1)有若干高速寄存器组成的硬件堆栈，并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上组成一个整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的。 (2)有很丰富的堆栈操作类指令且功能很强，可直接对堆栈中的数据进行各种运算和处理。 (3)有力地支持高级语言程序的编译（逆波兰式）。 (4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用。 第41页，共47页。5、定点数据表示几乎所有的计算机都支持二进制定点数据表示.通常采用二进制定点数据表示的有：符号数值反码补码偏移二进制码第42页，共47页。6、浮点表示法任意一个二进制数N总可以写成下面的形式： N=m2emfefem尾数的符号位阶码的符号位阶码的值尾数的值第43页，共47页。浮点数据表示的通用性好，利用率高，所以在以科学计算为主的计算机系统中，设置浮点数据表示必不可少的。第44页，共47页。研究浮点数表示方式的主要目的是:用尽