计算机系统结构(计算机类)第2章.pdf

第2章 指令系统 第2章 指令系统 2.1 指令格式的优化 2.2 CISC 2.3 RISC 2.4 后RISC 习题2 第2章 指令系统 2.1 指令格式的优化 指令由操作码和地址码两部分组成。指令格式的优 化指的是如何用最短的位数来表示指令的操作信息和 地址信息，使程序中指令的平均字长最短。因此指令 格式的优化包括操作码的优化和地址码的优化两部分。 第2章 指令系统 2.1.1 操作码的优化表示 操作码的表示方法通常有三种，等长操作码， Huffman编码法和扩展编码法，下面分别介绍。 第2章 指令系统 1. 等长操作码 对于采用等长操作码的指令系统，若指令系统中共 有N种不同功能的指令，则指令系统中的所有指令的操 作码长度固定为 ┌ ┐ log N 位。等长操作码的操作码长度 2 规整，有利于简化硬件设计，减少指令译码时间。如 IBM370指令系统，指令操作码的长度固定为8位。 第2章 指令系统 2. Huffman编码 Huffman编码法是1952年由Huffman首先提出的一种 编码方法，开始主要用于电报报文的编码。如26个英 文字母中，e、t等的使用频率最高，用短码表示；q、x 等的使用频率很低，用长码表示。这样，可以缩短整 个报文的长度，减少报文的传送时间。Huffman编码不 仅可用于代码压缩，也可用于程序压缩、存贮空间压 缩和时间压缩等。 第2章 指令系统 要采用Huffman编码法表示操作码，必须先知道各种 指令在程序中出现的概率，这通常可以通过对已有典 型程序进行统计得到。 第2章 指令系统 现设有一台模型机，共有10种不同功能的指令，各 指令的使用频度如表2.1所示。若用等长的操作码表示需 用4位。按信息论的观点，当各种指令的出现是相互独 立的时候（当然实际情况并不都是如此），操作码的信 息源熵（信息源所包含的平均信息量）H为- ∑p logp ， i i 由于操作码信息是用二进制表示，则H=- ∑p log p 。其 i 2 i 中p 表示第i种操作码在程序中出现的概率。 i 第2章 指令系统 按表2.1 的数据，得 H=0.17 ×2.56+0.15 ×2.74+0.15 ×2.74+0.13 ×2.94+0.12 ×3 .06+0.09 ×3.47 +0.08 ×3.64+0.07 ×3.84+0.03 ×5.06+0.01 ×6.64 =3.10位 这说明表示这10条指令，操作码平均只需3.1位。采 用4位等长操作码表示的信息冗余量为： 第2章 指令系统 操作码的实际平均长度-H 4 - 3.10 = =22.5% 操作码的实际平均长度 4 第2章 指令系统 表2.1 某模型机指令使用频度举例 指令序号 指令使用频度pi