第二章 指令系統

指令系統是軟件和硬件分界面的一個主要標志

數據類型：

(1)數據表示：面向硬件、指令系統

(2)數據結構：面向軟件、應用領域

數據表示指的是能由機器硬件直接識別和引用的數據類型

確定哪些數據類型用數據表示來實現的原則主要有：

(1) 縮短程序的運行時間

(2) 減少CPU與主存儲器之間的通信量

(3)

這種數據表示的通用性

浮點數據表示

浮點數表示方法要研究的核心內容是：數據字長與這種數據表示方式的表數范圍、表數精度和表數效率之間的關系

rm?尾數的基，q：?階碼長度，p：?尾數長度

浮點數尾數基值的選擇

?結論：在浮點數字長確定之后，尾數基值(rm)取2或4具有最高的表數精度和最大的表數范圍

采用隱藏位表數方法：因為格式化浮點數尾數最高位一定與尾數符號位相反，因此可以隱藏一位。

?尾數基值(rm)取2，采用隱藏位表數方法，是最佳的浮點數表示方法。具有最高的表數精度、最大的表數范圍、表數效率最高。

原碼、反碼、補碼：

計算機儲存有符號的整數時，是用該整數的補碼進行儲存的，0的原碼、補碼都是0，正數的原碼、補碼可以特殊理解為相同，負數的補碼是它的反碼加1

補碼的設計目的是:⑴使符號位能與有效值部分一起參加運算,從而簡化運算規則.⑵使減法運算轉換為加法運算,進一步簡化計算機中運算器的線路設計

數據表示：帶標志符的數據表示

自定義數據表示

數據描述符用于表示多維或結構比較復雜的數據

數據描述符與標志符的主要區別：標志符通常只作用于一個數據，而數據描述符要作用于一組數據

標志符通常與數值一起存放在同一個數據單元中；而數據描述符一般單獨存放，獨立占據一個存儲單元

尋址技術

尋址技術的主要研究內容：編址方式、尋址方式、定位方式

尋址技術研究的對象主要有：寄存器、主存儲器、堆棧、輸入輸出設備

在分析各種尋址技術優缺點的基礎上，如何選擇和確定采用哪種尋址技術

編址單位包含的信息量就是指每個房間有幾位。

?字編址：實現起來最容易的一種編址方式

?字節編址：適應非數值計算的需要，可從任意位置開始訪問優點：不浪費存儲器資源，缺點：可能需要二個存儲周期。從一個存儲字的起始位置開始訪問

優點：一個存儲周期完成 缺點：浪費存儲器資源，從地址的整倍數位置開始訪問

位編址：是一種很有應用前景的編址方式

需要編址的設備有：通用寄存器、主存儲器、輸入輸出設備

?編址方式有：

(1)三個零地址空間：通用寄存器、主存儲器、輸入輸出設備分別進行編址

(2)兩個零地址空間：通用寄存器獨立編址，主存儲器和輸入輸出設備統一編址

(3)一個零地址空間：通用寄存器、主存儲器、輸入輸出設備統一編址

(4)隱含編址方式：沒有零地址空間(堆棧計算機)

并行存儲器的編址技術

?當一個主存儲器由多個完全獨立的存儲模塊組成時

兩種方法：

(1)地址碼高位交叉編址目的：擴大存儲器容量

(2)地址碼低位交叉編址(實際上是一種采用流水線方式工作的并行存儲器)目的：提高存儲器速度

尋址方式：尋找操作數及數據存放單元的方法稱為尋址方式。

?立即數尋址方式

?寄存器尋址方式VLIW：Very Long

Instruction Word(超長指令字)

?主存尋址方式

(1)直接尋址方式

(2)間接尋址方式

(3)變址尋址方式

(4)相對尋址方式

(5)基址尋址方式

采用變址尋址方式編程優于間接尋址方式編程

?間接尋址方式與變址尋址方式的區別：

(1)間接尋址方式：間接地址在主存儲器中，沒有偏移量

(2)變址尋址方式：基地址在變址寄存器中，帶有偏移量

?間接尋址方式與變址尋址方式的優缺點：

(1)實現的難易程度

間接尋址：易?變址尋址：難

(2)指令的執行速度

間接尋址：慢?變址尋址：快

(3)對數組運算的支持

間接尋址：差?變址尋址：好

注意：變址尋址方式中的偏移量是帶符號的，自動變址，前變址與后變址

定位方式

將指令和數據中的邏輯地址(相對地址)轉換成主存儲器的物理地址(絕對地址)的過程，稱為程序的定位。根據程序中指令和數據的主存物理地址的確定時間，定位方式分為三種：直接定位、靜態定位、動態定位

源程序：(名稱空間)符號指令、數據說明、輸入輸出說明

目的程序：(邏輯地址空間)

主存儲器：(主存物理空間)

在程序裝入主存儲器之前，程序中的指令和數據的主存物理地址就已經確定了的稱為直接定位方式。采用直接定位方式的前提條件是：程序員在編寫程序時，或編譯程序在對原程序進行編譯時，就已經確切知道該程序應該占用的主存物理空間，因此，他們可以直接使用實際的主存物理地址來編寫或編譯程序。

在程序裝入主存儲器的過程中隨即進行地址變換，確定指令和數據的主存物理地址的稱為靜態定位方式。靜態定位方式要求程序在運行之前，在裝入主存儲器的過程中集中一次完成地址變換，把那些帶有標識的指令或數據中的邏輯地址全部變換成主存儲器的物理地址。靜態定位方式允許程序每次運行時裝入到不同的主存物理空間中。

在程序執行過程中，當訪問到相應的指令或數據時才進行地址變換，確定指令和數據的主存物理地址的稱為動態定位方式。動態定位方式必須有硬件支持，它采用與變址尋址方式相同的方法，把程序的邏輯地址轉換為主存的物理地址。

指令=操作碼(OPC)+地址碼(A)

操作碼的表示方法通常有三種：

(1)固定長度操作碼

(2)Huffman編碼法

(3)擴展編碼法

復雜指令系統(CISC)

1、20%與80%規律

20%的指令使用頻率比較高，占據了80%的處理機時間

2、VLSI技術(超大規模集成技術)的發展引起的問題

軟硬件的功能分配問題

?為了實現復雜的指令，不僅增加了硬件的復雜程度，而且使指令的執行周期大大加長

減少指令平均執行周期數是RISC思想的精華

RISC的關鍵技術

1、延時轉移技術(一定不能改變原來程序的數據相關關系)

?轉移指令好象被延遲執行了，稱為延時(遲)轉移技術；

?指令序列的調整由編譯器自動進行；

?調整指令序列時一定不能改變原來程序的數據相關關系。

2、指令取消技術

?在許多情況下找不到可以用來調整的指令，此時采用指令取消技術

3、重疊寄存器窗口技術

?重疊寄存器窗口技術的基本思想：在處理機中設置一個數量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多個窗口。

4、指令流調整技術

?優化編譯器必須分析程序的數據流和控制流。當發現指令流有斷流可能時，要調整指令序列。

存儲器的性能：速度、容量、價格

存儲系統對應用程序員是透明的，并且，從應用程序員看它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近速度最快的那個存儲器，存儲容量與容量最大的那個存儲器相等或接近，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。

二種存儲系統：

(1)Cache和主存儲器構成的Cache存儲系統對應用程序員和系統程序員都是透明的

(2)主存儲器和磁盤存儲器構成的虛擬存儲系統對應用程序員是透明的，對系統程序員是不透明的

虛擬存儲器(頁式，段式，段頁式)

?地址映像：把虛擬地址空間映像到主存地址空間，即將用戶用虛擬地址編寫的程序按照某種規則裝入到主存儲器中

?地址變換：在程序被裝入主存儲器后，在實際運行時，把多用戶虛地址變換成主存實地址(內部地址變換)或磁盤存儲器地址(外部地址變換)

段式存儲器的優點

1、程序的摸塊化性能好

2、便于數據程序共享

3、程序的動態的連接，調度

4、便于實現信息保護

段式存儲器的缺點

1、地址變換所花的時間長

2、主存儲器的利用率低

3、對輔存的管理比較困難

頁式存儲器的優點

1、主存儲器的利用率比較高

2、頁表相對比較簡單

3、地址印象和變化速度比較快

4、對輔存的管理比較容易

頁式存儲器的缺點

1、程序的摸塊性能不好

2、頁表很長，占用空間大

目錄表

壓縮頁表的存儲容量，用一個容量比較小的高速存儲器來存放頁表，從而加快頁表的查表速度

慢表是一個全表，快表只是慢表的一個部分副本，而且只存放了慢表中很少的一部分，慢表(按地址訪問)、快表(按內容相聯訪問)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机系统存数及取数方式,计算机系统结构总结2的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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