数据表示、指令系统设计原理与优化.pptx

第四章 数据表示和指令系统;本章要点;4.1 引言; （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。 ;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。;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。 ;4.1.2 指令系统发展的两种途径CISC,RISC;4.2 数据类型和数据表示 4.2.1 数据类型;4.2.2 基本数据表示;4.2.4 二进制定点，浮点， 数据表示;32位浮点单精度数据形式：;4.2.5 自定义数据表示; 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。;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。; 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。;数据;;描述符读取操作数过程; 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;基地址;A0;4.3 指令系统设计原理;（二）指令系统及结构的分类;堆栈机;累加器为基础的指令系统;取/存寄存器或存储器;PDP-11，IBM360/370的SS型指令;4.3.2 寻址技术;二 程序定位方式;4.3.3 指令系统功能设计;4.3.4 指令格式的优化;用哈夫曼压缩概念进行编码的步骤：;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。;∑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%;4;0001; 指令格式的优化;VAX-11指令格式和寻址方式;寻址方式;a. 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;i.变址的位移寻址方式;4.3.5 指令系统的执行和优化;面向目标程序的优化实现来改进;Z80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;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。;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;4.4 RISC计算机;美国卡内基梅隆（Canegic Mellon）大学定义;（三）RISC主要特征;（四） RISC的CPI讨论;（五） RISC体系结构;2.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;