数据表示、指令系统设计原理与优化课件

第四章数据表示和指令系统数据类型和表示指令系统设计原理和优化RISC计算机第四章数据表示和指令系统数据类型和表示1本章要点浮点数据表示IEEE标准及应用自定义数据表示定义、分类及优点哈夫曼概念及在计算机中应用，操作码编码法指令系统编码方法，指令系统设计原则两种指令系统风格，特点（RISC、CISC）简述RISC的主要技术本章要点浮点数据表示IEEE标准及应用24.1引言（1）考虑计算机面向的应用领域，程序设计语言，编译程序，操作系统直到硬件构成等诸多因素。（2）如何继承软件资产，保证软件向后兼容和向上兼容也是要加以考虑的现实问题。指令系统：又称指令集（instructionset）是计算机体系结构设计的核心，是计算机软、硬件接口,是用机器语言汇编语言编写程序的用户所能看到的计算机基本属性。

4．1．1传统计算机指令系统的设计技术总之要对执行性能，软、硬件开发费用，可靠性等各种因素间的矛盾，综合权衡考虑。设计一种新的指令系统，从提出指令系统的编码到实现这种指令系统的硬件要经过几次反复。4.1引言（1）考虑计算机面向的应用领域，程序设计语言，3（1）根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指令系统设计及实现，（2）编出这套指令系统设计的编译程序，（3）进行模拟测试，研究这套指令操作码，寻址方式及其他效能，（4）进行指令系统的优化。（5）如此反复进行，要充分考虑计算机应用和对各类高级语言执行效率，并对大量算法进行测试，使机器效能最高。计算机指令系统的设计技术基本过程：现代计算机指令系统设计必须由编译程序设计人员同系统结构设计人员共同配合进行传统计算机指令系统的设计。（1）根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指令4完备性：要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统愈丰富，功能愈强，编译程序愈好写好用，运用范围愈广。指令系统设计规则：规整性，均匀性：要使相似的操作具有相同的规定，所有操作都均匀对称地在存储器和寄存器单元间进行，尽可能甚至不出现例外情况和特殊用法。正交性：编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、操作类型都互相独立，这样便于处理，也减轻编译负担。可组合性对称性：指令系统对所有的寻址方式和所有数据类型都能适用，减化编译程序的代码生成。完备性：要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统5从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到：兼容性：指令系统设计多次反复，注意简单周到，还应注意系列机中软件兼容性．可扩性：保留一定余量的操作码空间，为以后扩展用，并适应工艺技术的新发展。指令码高密度性：对于那些频度高的指令串可以进行优化，设计新指令代替，提高指令码密度，减少存储容量和访问存储器次数，以提高效率。从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到：64.1.2指令系统发展的两种途径CISC,RISC(一)复杂指令集计算机（CISC）(二)精简指令系统计算机（RISC）

通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度，使指令简单，有效可行。指令系统庞大硬件复杂、庞大执行速度低编译程序复杂、长部分指令使用效率低PENTIUM处理器：RISC特征：某些指令以硬连线来实现，并能在一个时钟周期执行完；CISC特征：用微代码实现，需要2-3个时钟周期的执行时间，有多种寻址方式，多种指令长度，为数不多的通用寄存器。4.1.2指令系统发展的两种途径CISC,RISC(一74.2数据类型和数据表示

4.2.1数据类型计算机中常用数据有三类：用户定义的数据系统数据指令数据数据类型：指一组数据值的集合，还定义了可作用于这个集合上的操作集。

从系统结构看有基本数据类型，结构数据类型，抽象数据类型和访问指针。用户定义系统数据类型4.2数据类型和数据表示

4.2.1数据类型计84.2.2基本数据表示数据表示：指在计算机中能由硬件直接辩认,指令系统可以直接调用的数据类型。

数据结构：结构化数据的组织方式，它反应了应用中各种数据元或信息元间的结构关系。它必须通过软件映象，变换成机器中所具有的（存储于一维存储器内）各种数据表示来实现的。数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题。4.2.2基本数据表示数据表示：指在计94.2.4二进制定点，浮点，数据表示IEEE754浮点数据表示标准：1823S符号位EM指数尾数32位单精度形式11152S符号位EM指数尾数64位双精度形式4.2.4二进制定点，浮点，数据表示IEEE7541032位浮点单精度数据形式：32位浮点单精度数据形式：114.2.5自定义数据表示为了缩短机器语言同高级语言对数据属性的说明之间的语义差距。目的：自定义数据表示：由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。分类：带标志符的数据表示数据描述符4.2.5自定义数据表示为了缩短机器语12带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连，存在同一存贮单元内。数据标志位数据值优点：（1）简化了指令系统。（2）容易检出程序编制中的错误。 （3）简化了编译程序。 （4）支持数据库系统。（5）简化程序设计。（6）便于软件测试。带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连13缺点：①每个字都增加了标志位，使字长增长。

但另一方面：缩短了目的程序长度。操作码总数减少导致操作码位数减少。②降低指令的执行速度。

但：编制时间、调试时间减少，编制时间+调试时间+执行时间减少。与其他计算机的兼容性差，硬件复杂。缺点：14数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等，描述符专用来描述所要访问数据的特性，它和数据字分开存储，机器经描述符形成访问每个元素的地址及其他信息，增加一级以上寻址，（描述符或数据字）而数据字本身又是带标志符数据表示。与带标志符数据表示不同之处：标志符要与每个数据相连，两者合存在一个存储器单元中；而描述符则和数据分开放；要访问数据集中的元素时，必须先访问描述符，这就至少要增加一级寻址；描述符可看成是程序一部分，而不是数据一部分，因为它是专门来描述要访问的数据的特性。现以B6500，7500为例进行自定义数据表示的说明数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等15数据000数值描述符101PCISRTD长度地址311112022011数据描述符0：单精度数据1：双精度数据1：不连续数据0：连续数据1：数据集中的一个0：数据集的全体1：在主存中0：不在主存中只准读出的数据00：数据描述符写其他描述符数据000数值描述符101PCISRTD长度地址311112161013101410141014000000000000000000000000000000000000用数据描述符描述一个3*4二维阵列：三元素向量四元素向量块内的元素个数四元素向量四元素向量10131014101410140000000000000017描述符读取操作数过程操作码XY101101101地址形成逻辑000000101指令寄存器描述符描述符主存储器（数据）（数据）……描述符读取操作数过程操作码XY101101101地址形成逻辑18

CDCSTAR-100计算机对每一个向量数据用基地址，长度和位移量三个参量表示，其中对于指令，操作向量的起始地址=基址+位移量，操作向量有效长度=向量长度-位移量向量加XAYBZC其中X，Y，Z各区段表示寄存器号，分别表示源向量A，B和结果向量的位移量，而A，B，C各区段分别存放源向量A，B和结果向量C的基地址及长度。4.2.6向量数据表示向量：指具有n个数据的数组。特点：各个数据称为数组的元素，而每个数据应具有相同的数据类型，(如实数或逻辑数)；相同的数据表示（如字长、字的格式相同）；进行相同的操作；而各数据之间是独立无关的，这样的一个数组称为向量。CDCSTAR-100计算机对每一个向量数据19基地址向量长度向量数据表示的参数起始地址（基地址十位移量）向量有效长度位移量........基地址向量长度向量数据表示的参数起始地址（基地址十位移量）向20A0A1A2A3A4A5A6A7A010011001A3A2(0)A1(0)A4A7A6(0)A5(0)A0A7A4A301234567稀疏向量压缩向量排序向量稀疏向量的压缩表示A0A1A2A3A4A5A6A7A010011001A3A2214.3指令系统设计原理指令系统中指令编码方法：1.正交法指令中的每个分段（包括操作码、操作数地址等）相互独立，操作数地址的编码同操作码无关，反之亦然。优点：对流水机特别适用，微程序控制数量减少。2.整体法指令中各个分段在译码时相互有关，操作码同操作数地址的分界线并不清楚。优点：可以把使用频度高的操作码同操作数地址码组合起来，加以缩短优化，而使用频度低的可以较长些,这样可以节省存贮容量。缺点：在用微程序控制时，微程序数量较多，需要有较大的微程序控制存贮器。3.混合法这种方法把上两种方法的优点结合起来。4.3指令系统设计原理指令系统中指令编码方法：2.整22（二）指令系统及结构的分类指令系统也可以按下面几个准则分类：1.每条指令中显式指明的操作数个数2.CPU中存放操作数部件的类型3.数据类型和数据表示4.ALU指令的操作数个数和位置基本思想：计算机系统中的一些基本操作（包括操作系统和高级语言的操作）应由硬件实现还是由软件实现；某些复杂操作是由一条指令实现还是由一串指令实现。（二）指令系统及结构的分类指令系统也可以按下面几个准则分类：23堆栈机主要操作：是压入和弹出，主要是以后进先出的方式。优点：面向堆栈，指令短，表达式求值简单；可以有较高的编码密度。缺点：不能随机访问和编译技术不匹配，很难高速执行：这类机器的例子Burroughs5500，HP3000。主要依据：在CPU中以何种存储方式来存放操作数。指令系统集结构的分类分类：堆栈型累加器型通用寄存器型R-RR-MM-M堆栈机主要操作：是压入和弹出，主要是以后进先出的方式。主要依24累加器为基础的指令系统累加器型机器是有一个隐含操作数的机器，指令能够直接装卸或存储的累加器中。操作时取一个操作数，另一个操作数取自累加器，结果放回到累加器累加器类的基本优缺点与堆栈机相同。这类机器的例子是PDP-8。寄存器为基础的指令系统（GPR机）：优点：（1）由于数据在寄存器中，减少了对存储器的存取，速度更快一些。（2）数值表示有很强的适应性。缺点：指令格式必须包含寄存器指针空间。GPR机类型：有三类GPR机，它们是寄存器-寄存器型机和寄存器-存储器型机。还有存储器-存储器型机累加器为基础的指令系统累加器型机器是有一个隐含操作数的机器，25取/存寄存器或存储器寄存器或存储器2/3IBM360/370DECVAX-11RISC机寄存器集取/存累加器累加器1PDP-8MC6800累加器进栈或退栈堆栈0B5500/6500HP3000Transputer堆栈访问显式操作数的过程结果存放目的地每条ALU指令需指明的显式操作数机器型号CPU中存储部件形式三种不同的指令系统集结构取/存寄存器或存储器寄存器或存储器2/3IBM360/37026PDP-11，IBM360/370的SS型指令2M-M2VAX-11系列机3M-M3PDP-10，MC68000，IBM360/370中RX型指令IBM360/370中的RS型指令23R-M1IBMRT-PC，IBM360/370中RR型指令SPARC，MIPS，HPPA等RISC机23R-R0计算机实例ALU指令中可能使用的操作数个数结构类型ALU指令访存操作数个数典型计算机中ALU指令所使用的访存操作数的个数PDP-11，IBM360/370的SS型指令2M-M2VA274.3.2寻址技术一.访问方式

按地址访问:串行顺序访问，按指定地址读取代码（地址可是通用寄存器，专用寄存器，内存）地址概念：逻辑地址，物理地址地址编址方式采用三种：统一编址，局部编址，隐含编址具体可按面向对象和寻址方式来区分

按内容访问：给出欲访问单元内容，其主要特点是以并行方式查找所需信息内容。（联想存储器）寻址技术：指的是指令按什么方式寻找（或访问）到所需的操作数或信息。它影响主存规模速度及存取方式。寻址方式对应用程序员是透明的。4.3.2寻址技术一.访问方式寻址技术：指的是指令按什28二程序定位方式直接定位方式直接使用实际贮存物理地址来编写或编译程序，目前大多不用这种方式。静态定位方式专门用装入程序来完成，一旦装入主存就不能再变动了，这种方式实现简单，但不够灵活，主存利用率不高，多个用户不能共享主存。动态定位方式利用类似变址寻址方法，有硬件支持完成。只把主存的起始地址装入该程序对应的基址寄存器中，指令的地址不需全部修改。优点：主存利用率高，多个用户可以共享同一个程序段，支持虚拟存储器实现。缺点：需要硬件支持，实现的算法比较复杂。二程序定位方式直接定位方式294.3.3指令系统功能设计设计指令时，要考虑三个因素：速度，价格，灵活性通用计算机指令分为五类：数据传送类指令运算类指令程序控制类指令输入输出指令处理机控制和调试指令4.3.3指令系统功能设计设计指令时，要考虑三个因素304.3.4指令格式的优化哈夫曼压缩的基本思想：当各种事件发生的概率不均时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现概率较低的，用较长的位数（时间）来表示（处理），就会导致表示（处理）的平均位数（时间）的缩短。指令的优化通过操作码优化和地址码优化进行。指令格式优化的目的：如何用最短的位数表示指令的操作信息和地址信息，用最短的时间处理频度高的指令，使二者之间有最佳配合以减少指令字中冗余信息以及用最少信息位来表示所需的操作信息和地址信息。4.3.4指令格式的优化哈夫曼压缩的基本思想：指令的31用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：（1）

将要编码的字符按出现频率的次序排列，频率相等的符号可任意排列；（2）

把出现频率最小的两个符号合并，并将其频率相加，按相加后的频率次序重新排序；（3）

继续过程（2），直至只剩下两个频率，此后以相反过程进行编码；（4）

对最后两个频率分别指定代码0和1；（5）

若某一频率由两个频率相加而成，则分别指定这两个频的下一个代码为0或1；（6）

继续过程（5），直到所有符号均已指定不同代码为止。用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：（1）

将要编码的字32现设一台模型机，共有7种不同的指令，使用频度如表所示。若用定长操作码表示，则需要3位。I10.40I20.30I30.15I40.05I50.04I60.03I70.03指令使用频度操作码表示的平均长度L=∑li*PiLi：第i个操作码的长度H=-∑Pilog2Pi=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则信息冗余量K=1-H/操作码的实际平均长度=1-2.17/3=0.28(即28%)操作码的信息源熵：信息源所包含的平均最短信息量.H=-∑Pilog2Pi,其中Pi为第i个信息源的频度现设一台模型机，共有7种不同的指令，使用频度如表所示。若用定33∑Pili=0.40*1+0.30*2+0.15*3+0.05*5+0.04*5+0.03*5+0.03*5=2.20(位)这种编码的信息冗余为K=1-2.17/2.20≈1.36%1.000.600.300.150.060.090.030.030.040.050.150.300.40111111000000为减少此信息冗余量，改用哈夫曼树:

I7I6I5I4I3I2I1∑Pili=0.40*1+0.30*2+0.15*3+0.034411115111110.03I7411105111100.03I6411015111010.04I5411005111000.05I421031100.15I32012100.30I2200100.40I1OP长度li用哈夫曼概念的扩展操作码OP长度li操作码OP使用哈夫曼编码频度（Pi）

指令操作码的扩展（等长扩展）411115111110.350001000011101500000001...1110151111...11111111...000000011110151111...11111111...111111111111...800000001...01116410001000...111151210001000...1111000000010111100010001111000000010111......15/15/158/64/512编码法0001000011101500000001...1110136

指令格式的优化地址码表示和寻址方式采取相应优化措施，程序所需总位数才得以减少。由于操作数地址是随机的无规律可循，归结为指令格式的优化。地址码优化时应注意的问题：（1）操作数地址码长度可在很宽的范围内变化，只要恰当安排就可与变长操作码很好合成定长指令。这样地址码宽度应随不同指令，其宽度可以变化；（2）

通过改变指令字中的地址数和地址码的长度，以使单地址、双地址甚至三地址都可以在指令中使用；（3）设法利用空白处存放立即操作数或常数。（4）丰富多彩的寻址方式。指令格式的优化地址码表示和寻址方式采取相应优化措施37VAX-11指令格式和寻址方式2到6个附加的操作数描述码和它们的扩充字节1到8个字节操作数描述码描述码1可能带的扩充字节操作数描述码1操作码158702到6个可能有的附加的操作数描述码和它们的扩充字节地址增大VAX-11基本指令格式寄存器寻址方式VAX-11指令格式和寻址方式2到6个附加1到8个字38寻址方式寄存器00直接量7430750指明12种寻址方式之一，但不包括直接量方式指明16个寄存器6位直接量VAX-1操作数描述码格式6寻址方式寄存器00直接量7430750指明12种寻址方式之一39a.立即方式b.绝对方式c.寄存器直接方式d.寄存器间接寻址方式e.自增寻址方式f.自减寻址方式g.变址寻址方式VAX-11的主要寻址方式a.立即方式VAX-11的主要寻址方式40i.变址的位移寻址方式j.自增变址寻址方式k.自减变址寻址方式l.基址寻址方式m.基址变址寻址方式h.位移寻址方式i.变址的位移寻址方式j.自增变址寻址方式k.自减变址寻址方414.3.5指令系统的执行和优化面向目标程序优化实现面向操作系统优化实现面向高级语言优化实现（一）指令的控制和执行计算机的控制过程：取指令、分析指令（译码、取操作数），执行指令，再取下一条指令的周而复始过程。程序的执行过程：顺序执行、转移（条件转移或无条件转移）和进程的调用和返回。（二）指令系统的优化和改进由计算机系统的层次结构看，指令系统应对于各层的工作给于有力的支持，这样计算机效率才能更高。4.3.5指令系统的执行和优化面向目标程序优化实现42面向目标程序的优化实现来改进静态使用频度：对程序中出现的各种指令以及指令串进行统计得出的百分比。动态使用频度：在目标程序执行过程中对出现的各种指令和指令串进行统计得出的百分比。基本思路：对于那些频度高的常用指令，可以考虑增强其功能，加快其执行速度，缩短其指令字长；而对于那些使用频度很低的指令就可以考虑将其取消，或将其功能合并到某些频度较高的指令中去。优化传送类指令：如成组传送指令、自增循环（LDIR）自减循环（LDDR）等优化转移类指令：如屏蔽码（IBM370），多种转移指令等优化运算类指令：如多项式运算指令POLY面向目标程序的优化实现来改进静态使用频度：对程序中出现的各种43Z80微型计算机的自增循环指令LDIR长度为2个字节，时钟周期传送一个数椐为5个或4个周期（当BC计数值为0时）因此，当传送100个数时，需499个周期。如没有该条指令，则需如下指令串：字节周期LOOP：LDA（HL）；12LD（DE）A；12INCHL；11INCDE；11DECBC；11JPNZLOOP22该指令串统计完成当传送100个数时，需899个周期。

POLY指令完成P(X)=C(0)+X*(C(1)+X*(C(2)+……X*C(d))….)运算OPargdegreetbladdr优化运算类指令：OP操作码arg变量值degree多项式的阶tbladdr系数表地址Z80微型计算机的自增循环指令LDIR长度为2个字节，时钟周44目标：尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距，以利于支持高级语言编译系统，缩短编译程序的长度和编译所需的时间。面向高级语言和编译程序改进指令系统对使用频度高语句采取增加相应功能指令提高编译速度和执行速度增强系统结构的规整性，正交性，可组合性，统一性和全面性等直接执行系统结构（DEA）能直接执行高级语言源码，不需要经过中间翻译。目标：尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距，以利于支持高级45设置特权指令支持操作系统可靠运行增加支持工作状态和访问方式转换指令，如VAX-11操作系统分四层，每层有不同访问特权，利用CHMX指令增加访问权和RET返回指令改变访问方式，减少转换开销：内核方式（K）、执行方式（E）、管理方式（S）、用户方式（V）

支持进程转换指令如VAX-11设保存进程关联指令SVPCTX，恢复进程关联指令LDPCTX设置用来支持进程同步和互斥的指令设置中断系统指令指令对操作系统的支持目标：如何缩短操作系统与计算机系统结构之间的语义差距，以利于进一步减少运行操作系统所需要的辅助操作时间和节省操作系统软件所占用的存储空间。设置特权指令支持操作系统可靠运行指令对操作系统的支持目标：如464.4RISC计算机（一）RISC设计思想的起源20%-80%定律系统设计中硬件和软件之间折衷VLSI工艺技术发展4.4.1RISC计算机的设计原理（二）RISC结构设计原则（1）选择使用频度高的指令，增加少量支持操作系统和高级语言实现及其他功能的有用指令，寻址方式也取最基本的一、两种，使指令条数少，格式简单，并具有相同长度。（2）提高处理速度，采用流水技术使每一条指令都在一个机器周期内完成。大部分指令操作在寄存器之间进行，采用硬件逻辑控制实现操作，只有少量使用微程序实现。（3）简化编译工作，一个周期完成一条指令操作，编译器易于调整指令流。4.4RISC计算机（一）RISC设计思想的起源4.447美国卡内基梅隆（CanegicMellon）大学定义(1)

指令系统中的大多数指令只需执行简单和基本功能，其执行过程是在单个机器周期期内完成。(2)

只保留LOAD指令和STORE指令。面向运算的操作都经过LOAD指令和STORE指令，从内存储器预先放在寄存器堆内，加快执行速度。(3)

芯片逻辑不采用或少采用微码技术，而硬布线逻辑，减少指令解释的开销。(4)

减少指令数和寻址方式，使控制部件简化，加快执行速度。(5)指令格式固定，指令译码简化。(6)

编译开销很大，应尽可能优化。美国卡内基梅隆（CanegicMellon）大学定义(1)48（三）RISC主要特征指令格式简单化规整化（寄存器-寄存器型）基本是单调周期操作（指令功能和执行周期权和选择）分开的存取指令数据，引入多级Cache面向寄存器堆的结构充分提高流水线效率（用各种技术减少相关阻塞）采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）采用优化编译技术，很好支持高级语言（三）RISC主要特征指令格式简单化规整化（寄存器-寄存器型49（四）RISC的CPI讨论Tcpu=IN*CPI*Tc其中Tc:表示时钟周期。IN:表示CPU执行某一程序中所包含的指令总数。CPI:表示执行每条指令所需的平均时钟周期数。33~52~151

CISC10~21.1~1.41.3~1.4

RISC时钟周期Tc(ns)指令平均周期（CPI）指令条数（IN）类型可以看出RISC结构的Tcpu值远比CISC结构小，RISC是通过减少CPI值，简化结构来减少Tcpu,而CISC是通过减少IN值来减少Tcpu的。（四）RISC的CPI讨论Tcpu=IN*CPI*Tc50（五）RISC体系结构1.数据类型(1)字长32位发展到64位(2)整形数据：包括无符号和有符号字节，半字，全字数据

(3)浮点数据：支持ANSI/IEEE浮点数据类型，也就是单精度，双精度符点数(4)除以上基本数据类型外，为支持不同应用往往支持一些附加数据类型，如i860支持8位，16位与32位像素以提供高性能图像处理（一）RISC的体系结构（五）RISC体系结构1.数据类型（一）RISC的体系结512.寻址方式RISC体系结构一般支持最常用的简单寻址方式，以优化程序密集度与速度，常用的有：立即寻址方式寄存器直接寻址方式寄存器间接寻址方式相对寻址方式变址寻址方式位移量方式2.寻址方式523.寄存器模型和寄存器管理现现在的RISC差不多都采用寄存器体系结构，理由是寄存器比存储器快，代码生成有通用性，编译程序更容易有效的使用寄存器。大量的（不少于32个）CPU寄存器的好处是：（1）减少CPU与存储器之间的传送而加快操作（2）在CPU内支持过程参数传递（3）在CPU内支持多任务上下文转换和中断处理RRISC中寄存器管理方式由三类模型：窗口（Windows）模型、Cache模型、矩阵模型3.寄存器模型和寄存器管理534.

存储器管理首(1)虚拟地址空间的大小。现在的32位RISC目前都取满4G字节。其(2)其次是页面大小，页面大小和主存容量及系统应用程序大小有关系，i860与SPARC都支持4K字节的页面大小。第(3)映射大小是由操作系统内核所隐藏的，具有64个页的典型TLB实现只能映射64*4K字节。RISC都是二级或三级存储层次，即在贮存和CPU之间加一级或二级高速缓冲存储器（Cache）。4.存储器管理RISC都是二级或三级存储层次，即在贮存和54(二)指令系统RISC指令条数很少，格式简单，规整，基本上都在一个周期完成；指令规整化要求RISC的指令基本上是一个字节，而且指令中的操作码字段与操作数字段最好是正交并具有统一规格，这有利于流水线执行，还可以提高译码操作效率，使译码控制逻辑电路简化；RISC有利于支持高级语言，使用逻辑控制，不再使用微代码，体现了用硬件取代软件。RISC强调优化编译技术，不仅是生成代码，而且要优化代码。对于指令系统的具体选择，可以通过对现有体系结构进行静态测试和动态测试，即在程序运行时计算指令出现次数来进行。(二)指令系统RISC指令条数很少，格式简单，规整，基本554.4.3RISC的主要技术（一）流水线结构和指令调度

RISC主要特点之一是充分提高流水线效率流水线执行和相关性

IFIDEXWR

IFIDEXWR

IFIDEXWR

IFID气泡EXWRIF冲刷IF–取指令ID-指令译码EX-执行指令WR-写回结果nn+1n+2n+3n+44.4.3RISC的主要技术（一）流56（二）寄存器窗口芯片上有大量通用寄存器，在执行程序时可以存放更多的操作数或公用参数，采用寄存器窗口技术还可以更好支持过程的调用和返回，提高机器工作效率。寄存器窗口技术：就是把整个寄存器组分成很多小组，每个过程分配一个寄存器小组，当发生过程调用时，自动地把CPU转换到不同的寄存器小组使用，不再需要作保存和恢复的操作，这个寄存器小组就叫做寄存器窗口，相邻的寄存器窗口间有部分是重叠的，便于调用参数传送。RISC有八个寄存器窗口，代表八个过程，重叠窗口之间构成类似环形缓冲器，窗口之间转换时通过改变硬件指针内容实现的，当超过八个过程调用时，将一个窗口内容传送到内存，以腾出一个窗口，返回时，再一个个返回。（二）寄存器窗口芯片上有大量通用寄存器，在执行程序57参数A137132本地A131122参数A/参数B121116本地B115106参数B/参数C105100本地C9990暂存C8984.......全局90R9AR0AR31AR26AR25AR16AR15AR10AR31BR26BR25BR16BR15BR10BR31CR26CR25CR16CR15CR10CR9BR0BR9CR0C过程A过程B过程CRISCII的寄存器窗口高区本区低区参数A137132本地A1311258

RISC机中所采用的编译技术突出了两点：一是如何最佳分配寄存器堆中的寄存器，从而减少对存储器的访问；二是设法对程序中的指令序列在保持原来语义基础上进行重新排序和调度。（三）优化编译技术优点：

RISC指令系统条数少，简单对称，这减轻了编译程序的负担.；

RISC寻址方式简单，只有LOAD和STORE指令访问存储器。其它操作均在通用寄存器中进行，这简化了寻址方式和访存操作；大多数指令在一个周期内完成，为优化编译器进行调整指令流序列，减少相关，提高并行度带来了方便；RISC机中所采用的编译技术突出了两点：一59RISC对优化编译器带来的困难：优化编译器必须选择变量存放位置，在哪个通用寄存器中以便充分发挥通用寄存器效率。

优化编译器要进行数据相关和控制相关进行分析处理，和硬件配合实现指令延迟转移或取消或重新排序。

对于RISC要设计复杂的子程序库，因为在CISC中一些复杂指令在RISC中是由一级子程序来实现的。编译优化要和机器的体系结构，编译程序技术结合进行。如对于每个时钟周期能发送多条独立指令的超标量计算机编译程序必须正确分析，合理调度，才能更好的提高效率。RISC对优化编译器带来的困难：优化编译器必须选择变量存604.4.4RISC机指令系统示例（一）加州大学的RISCII机1.指令系统指令数39条，其中ALU指令12条，LOAD/STORE指令16条，控制转移指令6条，辅助指令5条。指令格式两种，短立即数格式和长立即数格式主要两种访存寻址方式，变址型和PC相对型2采用优化延迟转移技术3采用多寄存器和窗口重叠技术流水方式采用三级：取指和译码，读数和执行，写回。采用优化延迟转移，相关通路技术处理相关。4.4.4RISC机指令系统示例1.指令系统261（二）斯坦福大学的MIPS和MIPSR3000机1.指令系统指令数91条，其中ALU指令32条，LOAD/STORE指令12条，控制转移指令2条，浮点指令17条，协处理指令16条。指令格式三种，立即数型，转移型和寄存器型。字长为32位寻址方式有基址加16位位移量的访存，立即数寻址和寄存器寻址2.采用优化编译器进行指令序列的重新安排技术3.有32个寄存器但不采用窗口重叠技术，而采用延迟优化技术4.采用“比较转移”指令，进行优化编译。流水方式分为取指，译码及读数，执行，访存，写回共5级。分开指令数据CACHE的结构（二）斯坦福大学的MIPS和MIPSR3000机62第四章数据表示和指令系统数据类型和表示指令系统设计原理和优化RISC计算机第四章数据表示和指令系统数据类型和表示63本章要点浮点数据表示IEEE标准及应用自定义数据表示定义、分类及优点哈夫曼概念及在计算机中应用，操作码编码法指令系统编码方法，指令系统设计原则两种指令系统风格，特点（RISC、CISC）简述RISC的主要技术本章要点浮点数据表示IEEE标准及应用644.1引言（1）考虑计算机面向的应用领域，程序设计语言，编译程序，操作系统直到硬件构成等诸多因素。（2）如何继承软件资产，保证软件向后兼容和向上兼容也是要加以考虑的现实问题。指令系统：又称指令集（instructionset）是计算机体系结构设计的核心，是计算机软、硬件接口,是用机器语言汇编语言编写程序的用户所能看到的计算机基本属性。

4．1．1传统计算机指令系统的设计技术总之要对执行性能，软、硬件开发费用，可靠性等各种因素间的矛盾，综合权衡考虑。设计一种新的指令系统，从提出指令系统的编码到实现这种指令系统的硬件要经过几次反复。4.1引言（1）考虑计算机面向的应用领域，程序设计语言，65（1）根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指令系统设计及实现，（2）编出这套指令系统设计的编译程序，（3）进行模拟测试，研究这套指令操作码，寻址方式及其他效能，（4）进行指令系统的优化。（5）如此反复进行，要充分考虑计算机应用和对各类高级语言执行效率，并对大量算法进行测试，使机器效能最高。计算机指令系统的设计技术基本过程：现代计算机指令系统设计必须由编译程序设计人员同系统结构设计人员共同配合进行传统计算机指令系统的设计。（1）根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指令66完备性：要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统愈丰富，功能愈强，编译程序愈好写好用，运用范围愈广。指令系统设计规则：规整性，均匀性：要使相似的操作具有相同的规定，所有操作都均匀对称地在存储器和寄存器单元间进行，尽可能甚至不出现例外情况和特殊用法。正交性：编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、操作类型都互相独立，这样便于处理，也减轻编译负担。可组合性对称性：指令系统对所有的寻址方式和所有数据类型都能适用，减化编译程序的代码生成。完备性：要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统中，指令系统67从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到：兼容性：指令系统设计多次反复，注意简单周到，还应注意系列机中软件兼容性．可扩性：保留一定余量的操作码空间，为以后扩展用，并适应工艺技术的新发展。指令码高密度性：对于那些频度高的指令串可以进行优化，设计新指令代替，提高指令码密度，减少存储容量和访问存储器次数，以提高效率。从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到：684.1.2指令系统发展的两种途径CISC,RISC(一)复杂指令集计算机（CISC）(二)精简指令系统计算机（RISC）

通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计的复杂程度，提高指令执行速度，使指令简单，有效可行。指令系统庞大硬件复杂、庞大执行速度低编译程序复杂、长部分指令使用效率低PENTIUM处理器：RISC特征：某些指令以硬连线来实现，并能在一个时钟周期执行完；CISC特征：用微代码实现，需要2-3个时钟周期的执行时间，有多种寻址方式，多种指令长度，为数不多的通用寄存器。4.1.2指令系统发展的两种途径CISC,RISC(一694.2数据类型和数据表示

4.2.1数据类型计算机中常用数据有三类：用户定义的数据系统数据指令数据数据类型：指一组数据值的集合，还定义了可作用于这个集合上的操作集。

从系统结构看有基本数据类型，结构数据类型，抽象数据类型和访问指针。用户定义系统数据类型4.2数据类型和数据表示

4.2.1数据类型计704.2.2基本数据表示数据表示：指在计算机中能由硬件直接辩认,指令系统可以直接调用的数据类型。

数据结构：结构化数据的组织方式，它反应了应用中各种数据元或信息元间的结构关系。它必须通过软件映象，变换成机器中所具有的（存储于一维存储器内）各种数据表示来实现的。数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题。4.2.2基本数据表示数据表示：指在计714.2.4二进制定点，浮点，数据表示IEEE754浮点数据表示标准：1823S符号位EM指数尾数32位单精度形式11152S符号位EM指数尾数64位双精度形式4.2.4二进制定点，浮点，数据表示IEEE7547232位浮点单精度数据形式：32位浮点单精度数据形式：734.2.5自定义数据表示为了缩短机器语言同高级语言对数据属性的说明之间的语义差距。目的：自定义数据表示：由数据本身来表明数据类型，使计算机内的数据具有自定义能力。分类：带标志符的数据表示数据描述符4.2.5自定义数据表示为了缩短机器语74带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连，存在同一存贮单元内。数据标志位数据值优点：（1）简化了指令系统。（2）容易检出程序编制中的错误。 （3）简化了编译程序。 （4）支持数据库系统。（5）简化程序设计。（6）便于软件测试。带标志符的数据表示：描述简单数据，标志符是和每个数据值相连75缺点：①每个字都增加了标志位，使字长增长。

但另一方面：缩短了目的程序长度。操作码总数减少导致操作码位数减少。②降低指令的执行速度。

但：编制时间、调试时间减少，编制时间+调试时间+执行时间减少。与其他计算机的兼容性差，硬件复杂。缺点：76数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等，描述符专用来描述所要访问数据的特性，它和数据字分开存储，机器经描述符形成访问每个元素的地址及其他信息，增加一级以上寻址，（描述符或数据字）而数据字本身又是带标志符数据表示。与带标志符数据表示不同之处：标志符要与每个数据相连，两者合存在一个存储器单元中；而描述符则和数据分开放；要访问数据集中的元素时，必须先访问描述符，这就至少要增加一级寻址；描述符可看成是程序一部分，而不是数据一部分，因为它是专门来描述要访问的数据的特性。现以B6500，7500为例进行自定义数据表示的说明数据描述符：用来描述复杂和多维数据，如向量、数组、记录等77数据000数值描述符101PCISRTD长度地址311112022011数据描述符0：单精度数据1：双精度数据1：不连续数据0：连续数据1：数据集中的一个0：数据集的全体1：在主存中0：不在主存中只准读出的数据00：数据描述符写其他描述符数据000数值描述符101PCISRTD长度地址311112781013101410141014000000000000000000000000000000000000用数据描述符描述一个3*4二维阵列：三元素向量四元素向量块内的元素个数四元素向量四元素向量10131014101410140000000000000079描述符读取操作数过程操作码XY101101101地址形成逻辑000000101指令寄存器描述符描述符主存储器（数据）（数据）……描述符读取操作数过程操作码XY101101101地址形成逻辑80

CDCSTAR-100计算机对每一个向量数据用基地址，长度和位移量三个参量表示，其中对于指令，操作向量的起始地址=基址+位移量，操作向量有效长度=向量长度-位移量向量加XAYBZC其中X，Y，Z各区段表示寄存器号，分别表示源向量A，B和结果向量的位移量，而A，B，C各区段分别存放源向量A，B和结果向量C的基地址及长度。4.2.6向量数据表示向量：指具有n个数据的数组。特点：各个数据称为数组的元素，而每个数据应具有相同的数据类型，(如实数或逻辑数)；相同的数据表示（如字长、字的格式相同）；进行相同的操作；而各数据之间是独立无关的，这样的一个数组称为向量。CDCSTAR-100计算机对每一个向量数据81基地址向量长度向量数据表示的参数起始地址（基地址十位移量）向量有效长度位移量........基地址向量长度向量数据表示的参数起始地址（基地址十位移量）向82A0A1A2A3A4A5A6A7A010011001A3A2(0)A1(0)A4A7A6(0)A5(0)A0A7A4A301234567稀疏向量压缩向量排序向量稀疏向量的压缩表示A0A1A2A3A4A5A6A7A010011001A3A2834.3指令系统设计原理指令系统中指令编码方法：1.正交法指令中的每个分段（包括操作码、操作数地址等）相互独立，操作数地址的编码同操作码无关，反之亦然。优点：对流水机特别适用，微程序控制数量减少。2.整体法指令中各个分段在译码时相互有关，操作码同操作数地址的分界线并不清楚。优点：可以把使用频度高的操作码同操作数地址码组合起来，加以缩短优化，而使用频度低的可以较长些,这样可以节省存贮容量。缺点：在用微程序控制时，微程序数量较多，需要有较大的微程序控制存贮器。3.混合法这种方法把上两种方法的优点结合起来。4.3指令系统设计原理指令系统中指令编码方法：2.整84（二）指令系统及结构的分类指令系统也可以按下面几个准则分类：1.每条指令中显式指明的操作数个数2.CPU中存放操作数部件的类型3.数据类型和数据表示4.ALU指令的操作数个数和位置基本思想：计算机系统中的一些基本操作（包括操作系统和高级语言的操作）应由硬件实现还是由软件实现；某些复杂操作是由一条指令实现还是由一串指令实现。（二）指令系统及结构的分类指令系统也可以按下面几个准则分类：85堆栈机主要操作：是压入和弹出，主要是以后进先出的方式。优点：面向堆栈，指令短，表达式求值简单；可以有较高的编码密度。缺点：不能随机访问和编译技术不匹配，很难高速执行：这类机器的例子Burroughs5500，HP3000。主要依据：在CPU中以何种存储方式来存放操作数。指令系统集结构的分类分类：堆栈型累加器型通用寄存器型R-RR-MM-M堆栈机主要操作：是压入和弹出，主要是以后进先出的方式。主要依86累加器为基础的指令系统累加器型机器是有一个隐含操作数的机器，指令能够直接装卸或存储的累加器中。操作时取一个操作数，另一个操作数取自累加器，结果放回到累加器累加器类的基本优缺点与堆栈机相同。这类机器的例子是PDP-8。寄存器为基础的指令系统（GPR机）：优点：（1）由于数据在寄存器中，减少了对存储器的存取，速度更快一些。（2）数值表示有很强的适应性。缺点：指令格式必须包含寄存器指针空间。GPR机类型：有三类GPR机，它们是寄存器-寄存器型机和寄存器-存储器型机。还有存储器-存储器型机累加器为基础的指令系统累加器型机器是有一个隐含操作数的机器，87取/存寄存器或存储器寄存器或存储器2/3IBM360/370DECVAX-11RISC机寄存器集取/存累加器累加器1PDP-8MC6800累加器进栈或退栈堆栈0B5500/6500HP3000Transputer堆栈访问显式操作数的过程结果存放目的地每条ALU指令需指明的显式操作数机器型号CPU中存储部件形式三种不同的指令系统集结构取/存寄存器或存储器寄存器或存储器2/3IBM360/37088PDP-11，IBM360/370的SS型指令2M-M2VAX-11系列机3M-M3PDP-10，MC68000，IBM360/370中RX型指令IBM360/370中的RS型指令23R-M1IBMRT-PC，IBM360/370中RR型指令SPARC，MIPS，HPPA等RISC机23R-R0计算机实例ALU指令中可能使用的操作数个数结构类型ALU指令访存操作数个数典型计算机中ALU指令所使用的访存操作数的个数PDP-11，IBM360/370的SS型指令2M-M2VA894.3.2寻址技术一.访问方式

按地址访问:串行顺序访问，按指定地址读取代码（地址可是通用寄存器，专用寄存器，内存）地址概念：逻辑地址，物理地址地址编址方式采用三种：统一编址，局部编址，隐含编址具体可按面向对象和寻址方式来区分

按内容访问：给出欲访问单元内容，其主要特点是以并行方式查找所需信息内容。（联想存储器）寻址技术：指的是指令按什么方式寻找（或访问）到所需的操作数或信息。它影响主存规模速度及存取方式。寻址方式对应用程序员是透明的。4.3.2寻址技术一.访问方式寻址技术：指的是指令按什90二程序定位方式直接定位方式直接使用实际贮存物理地址来编写或编译程序，目前大多不用这种方式。静态定位方式专门用装入程序来完成，一旦装入主存就不能再变动了，这种方式实现简单，但不够灵活，主存利用率不高，多个用户不能共享主存。动态定位方式利用类似变址寻址方法，有硬件支持完成。只把主存的起始地址装入该程序对应的基址寄存器中，指令的地址不需全部修改。优点：主存利用率高，多个用户可以共享同一个程序段，支持虚拟存储器实现。缺点：需要硬件支持，实现的算法比较复杂。二程序定位方式直接定位方式914.3.3指令系统功能设计设计指令时，要考虑三个因素：速度，价格，灵活性通用计算机指令分为五类：数据传送类指令运算类指令程序控制类指令输入输出指令处理机控制和调试指令4.3.3指令系统功能设计设计指令时，要考虑三个因素924.3.4指令格式的优化哈夫曼压缩的基本思想：当各种事件发生的概率不均时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现概率较低的，用较长的位数（时间）来表示（处理），就会导致表示（处理）的平均位数（时间）的缩短。指令的优化通过操作码优化和地址码优化进行。指令格式优化的目的：如何用最短的位数表示指令的操作信息和地址信息，用最短的时间处理频度高的指令，使二者之间有最佳配合以减少指令字中冗余信息以及用最少信息位来表示所需的操作信息和地址信息。4.3.4指令格式的优化哈夫曼压缩的基本思想：指令的93用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：（1）

将要编码的字符按出现频率的次序排列，频率相等的符号可任意排列；（2）

把出现频率最小的两个符号合并，并将其频率相加，按相加后的频率次序重新排序；（3）

继续过程（2），直至只剩下两个频率，此后以相反过程进行编码；（4）

对最后两个频率分别指定代码0和1；（5）

若某一频率由两个频率相加而成，则分别指定这两个频的下一个代码为0或1；（6）

继续过程（5），直到所有符号均已指定不同代码为止。用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：（1）

将要编码的字94现设一台模型机，共有7种不同的指令，使用频度如表所示。若用定长操作码表示，则需要3位。I10.40I20.30I30.15I40.05I50.04I60.03I70.03指令使用频度操作码表示的平均长度L=∑li*PiLi：第i个操作码的长度H=-∑Pilog2Pi=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则信息冗余量K=1-H/操作码的实际平均长度=1-2.17/3=0.28(即28%)操作码的信息源熵：信息源所包含的平均最短信息量.H=-∑Pilog2Pi,其中Pi为第i个信息源的频度现设一台模型机，共有7种不同的指令，使用频度如表所示。若用定95∑Pili=0.40*1+0.30*2+0.15*3+0.05*5+0.04*5+0.03*5+0.03*5=2.20(位)这种编码的信息冗余为K=1-2.17/2.20≈1.36%1.000.600.300.150.060.090.030.030.040.050.150.300.40111111000000为减少此信息冗余量，改用哈夫曼树:

I7I6I5I4I3I2I1∑Pili=0.40*1+0.30*2+0.15*3+0.096411115111110.03I7411105111100.03I6411015111010.04I5411005111000.05I421031100.15I32012100.30I2200100.40I1OP长度li用哈夫曼概念的扩展操作码OP长度li操作码OP使用哈夫曼编码频度（Pi）

指令操作码的扩展（等长扩展）411115111110.970001000011101500000001...1110151111...11111111...000000011110151111...11111111...111111111111...800000001...01116410001000...111151210001000...1111000000010111100010001111000000010111......15/15/158/64/512编码法0001000011101500000001...1110198

指令格式的优化地址码表示和寻址方式采取相应优化措施，程序所需总位数才得以减少。由于操作数地址是随机的无规律可循，归结为指令格式的优化。地址码优化时应注意的问题：（1）操作数地址码长度可在很宽的范围内变化，只要恰当安排就可与变长操作码很好合成定长指令。这样地址码宽度应随不同指令，其宽度可以变化；（2）

通过改变指令字中的地址数和地址码的长度，以使单地址、双地址甚至三地址都可以在指令中使用；（3）设法利用空白处存放立即操作数或常数。（4）丰富多彩的寻址方式。指令格式的优化地址码表示和寻址方式采取相应优化措施99VAX-11指令格式和寻址方式2到6个附加的操作数描述码和它们的扩充字节1到8个字节操作数描述码描述码1可能带的扩充字节操作数描述码1操作码158702到6个可能有的附加的操作数描述码和它们的扩充字节地址增大VAX-11基本指令格式寄存器寻址方式VAX-11指令格式和寻址方式2到6个附加1到8个字100寻址方式寄存器00直接量7430750指明12种寻址方式之一，但不包括直接量方式指明16个寄存器6位直接量VAX-1操作数描述码格式6寻址方式寄存器00直接量7430750指明12种寻址方式之一101a.立即方式b.绝对方式c.寄存器直接方式d.寄存器间接寻址方式e.自增寻址方式f.自减寻址方式g.变址寻址方式VAX-11的主要寻址方式a.立即方式VAX-11的主要寻址方式102i.变址的位移寻址方式j.自增变址寻址方式k.自减变址寻址方式l.基址寻址方式m.基址变址寻址方式h.位移寻址方式i.变址的位移寻址方式j.自增变址寻址方式k.自减变址寻址方1034.3.5指令系统的执行和优化面向目标程序优化实现面向操作系统优化实现面向高级语言优化实现（一）指令的控制和执行计算机的控制过程：取指令、分析指令（译码、取操作数），执行指令，再取下一条指令的周而复始过程。程序的执行过程：顺序执行、转移（条件转移或无条件转移）和进程的调用和返回。（二）指令系统的优化和改进由计算机系统的层次结构看，指令系统应对于各层的工作给于有力的支持，这样计算机效率才能更高。4.3.5指令系统的执行和优化面向目标程序优化实现104面向目标程序的优化实现来改进静态使用频度：对程序中出现的各种指令以及指令串进行统计得出的百分比。动态使用频度：在目标程序执行过程中对出现的各种指令和指令串进行统计得出的百分比。基本思路：对于那些频度高的常用指令，可以考虑增强其功能，加快其执行速度，缩短其指令字长；而对于那些使用频度很低的指令就可以考虑将其取消，或将其功能合并到某些频度较高的指令中去。优化传送类指令：如成组传送指令、自增循环（LDIR）自减循环（LDDR）等优化转移类指令：如屏蔽码（IBM370），多种转移指令等优化运算类指令：如多项式运算指令POLY面向目标程序的优化实现来改进静态使用频度：对程序中出现的各种105Z80微型计算机的自增循环指令LDIR长度为2个字节，时钟周期传送一个数椐为5个或4个周期（当BC计数值为0时）因此，当传送100个数时，需499个周期。如没有该条指令，则需如下指令串：字节周期LOOP：LDA（HL）；12LD（DE）A；12INCHL；11INCDE；11DECBC；11JPNZLOOP22该指令串统计完成当传送100个数时，需899个周期。

POLY指令完成P(X)=C(0)+X*(C(1)+X*(C(2)+……X*C(d))….)运算OPargdegreetbladdr优化运算类指令：OP操作码arg变量值degree多项式的阶tbladdr系数表地址Z80微型计算机的自增循环指令LDIR长度为2个字节，时钟周106目标：尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距，以利于支持高级语言编译系统，缩短编译程序的长度和编译所需的时间。面向高级语