第二章 指令系統(tǒng)

指令系統(tǒng)是軟件和硬件分界面的一個(gè)主要標(biāo)志

數(shù)據(jù)類型：

(1)數(shù)據(jù)表示：面向硬件、指令系統(tǒng)

(2)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向軟件、應(yīng)用領(lǐng)域

數(shù)據(jù)表示指的是能由機(jī)器硬件直接識(shí)別和引用的數(shù)據(jù)類型

確定哪些數(shù)據(jù)類型用數(shù)據(jù)表示來實(shí)現(xiàn)的原則主要有：

(1) 縮短程序的運(yùn)行時(shí)間

(2) 減少CPU與主存儲(chǔ)器之間的通信量

(3)

這種數(shù)據(jù)表示的通用性

浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示

浮點(diǎn)數(shù)表示方法要研究的核心內(nèi)容是：數(shù)據(jù)字長與這種數(shù)據(jù)表示方式的表數(shù)范圍、表數(shù)精度和表數(shù)效率之間的關(guān)系

rm?尾數(shù)的基，q：?階碼長度，p：?尾數(shù)長度

浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值的選擇

?結(jié)論：在浮點(diǎn)數(shù)字長確定之后，尾數(shù)基值(rm)取2或4具有最高的表數(shù)精度和最大的表數(shù)范圍

采用隱藏位表數(shù)方法：因?yàn)楦袷交↑c(diǎn)數(shù)尾數(shù)最高位一定與尾數(shù)符號(hào)位相反，因此可以隱藏一位。

?尾數(shù)基值(rm)取2，采用隱藏位表數(shù)方法，是最佳的浮點(diǎn)數(shù)表示方法。具有最高的表數(shù)精度、最大的表數(shù)范圍、表數(shù)效率最高。

原碼、反碼、補(bǔ)碼：

計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存有符號(hào)的整數(shù)時(shí)，是用該整數(shù)的補(bǔ)碼進(jìn)行儲(chǔ)存的，0的原碼、補(bǔ)碼都是0，正數(shù)的原碼、補(bǔ)碼可以特殊理解為相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是它的反碼加1

補(bǔ)碼的設(shè)計(jì)目的是:⑴使符號(hào)位能與有效值部分一起參加運(yùn)算,從而簡化運(yùn)算規(guī)則.⑵使減法運(yùn)算轉(zhuǎn)換為加法運(yùn)算,進(jìn)一步簡化計(jì)算機(jī)中運(yùn)算器的線路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)表示：帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示

自定義數(shù)據(jù)表示

數(shù)據(jù)描述符用于表示多維或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)描述符與標(biāo)志符的主要區(qū)別：標(biāo)志符通常只作用于一個(gè)數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)描述符要作用于一組數(shù)據(jù)

標(biāo)志符通常與數(shù)值一起存放在同一個(gè)數(shù)據(jù)單元中；而數(shù)據(jù)描述符一般單獨(dú)存放，獨(dú)立占據(jù)一個(gè)存儲(chǔ)單元

尋址技術(shù)

尋址技術(shù)的主要研究內(nèi)容：編址方式、尋址方式、定位方式

尋址技術(shù)研究的對(duì)象主要有：寄存器、主存儲(chǔ)器、堆棧、輸入輸出設(shè)備

在分析各種尋址技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，如何選擇和確定采用哪種尋址技術(shù)

編址單位包含的信息量就是指每個(gè)房間有幾位。

?字編址：實(shí)現(xiàn)起來最容易的一種編址方式

?字節(jié)編址：適應(yīng)非數(shù)值計(jì)算的需要，可從任意位置開始訪問優(yōu)點(diǎn)：不浪費(fèi)存儲(chǔ)器資源，缺點(diǎn)：可能需要二個(gè)存儲(chǔ)周期。從一個(gè)存儲(chǔ)字的起始位置開始訪問

優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)存儲(chǔ)周期完成 缺點(diǎn)：浪費(fèi)存儲(chǔ)器資源，從地址的整倍數(shù)位置開始訪問

位編址：是一種很有應(yīng)用前景的編址方式

需要編址的設(shè)備有：通用寄存器、主存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備

?編址方式有：

(1)三個(gè)零地址空間：通用寄存器、主存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備分別進(jìn)行編址

(2)兩個(gè)零地址空間：通用寄存器獨(dú)立編址，主存儲(chǔ)器和輸入輸出設(shè)備統(tǒng)一編址

(3)一個(gè)零地址空間：通用寄存器、主存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備統(tǒng)一編址

(4)隱含編址方式：沒有零地址空間(堆棧計(jì)算機(jī))

并行存儲(chǔ)器的編址技術(shù)

?當(dāng)一個(gè)主存儲(chǔ)器由多個(gè)完全獨(dú)立的存儲(chǔ)模塊組成時(shí)

兩種方法：

(1)地址碼高位交叉編址目的：擴(kuò)大存儲(chǔ)器容量

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

尋址方式：尋找操作數(shù)及數(shù)據(jù)存放單元的方法稱為尋址方式。

?立即數(shù)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(duì)尋址方式

(5)基址尋址方式

采用變址尋址方式編程優(yōu)于間接尋址方式編程

?間接尋址方式與變址尋址方式的區(qū)別：

(1)間接尋址方式：間接地址在主存儲(chǔ)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(yōu)缺點(diǎn)：

(1)實(shí)現(xiàn)的難易程度

間接尋址：易?變址尋址：難

(2)指令的執(zhí)行速度

間接尋址：慢?變址尋址：快

(3)對(duì)數(shù)組運(yùn)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(hào)的，自動(dòng)變址，前變址與后變址

定位方式

將指令和數(shù)據(jù)中的邏輯地址(相對(duì)地址)轉(zhuǎn)換成主存儲(chǔ)器的物理地址(絕對(duì)地址)的過程，稱為程序的定位。根據(jù)程序中指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的確定時(shí)間，定位方式分為三種：直接定位、靜態(tài)定位、動(dòng)態(tài)定位

源程序：(名稱空間)符號(hào)指令、數(shù)據(jù)說明、輸入輸出說明

目的程序：(邏輯地址空間)

主存儲(chǔ)器：(主存物理空間)

在程序裝入主存儲(chǔ)器之前，程序中的指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址就已經(jīng)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(shí)，或編譯程序在對(duì)原程序進(jìn)行編譯時(shí)，就已經(jīng)確切知道該程序應(yīng)該占用的主存物理空間，因此，他們可以直接使用實(shí)際的主存物理地址來編寫或編譯程序。

在程序裝入主存儲(chǔ)器的過程中隨即進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為靜態(tài)定位方式。靜態(tài)定位方式要求程序在運(yùn)行之前，在裝入主存儲(chǔ)器的過程中集中一次完成地址變換，把那些帶有標(biāo)識(shí)的指令或數(shù)據(jù)中的邏輯地址全部變換成主存儲(chǔ)器的物理地址。靜態(tài)定位方式允許程序每次運(yùn)行時(shí)裝入到不同的主存物理空間中。

在程序執(zhí)行過程中，當(dāng)訪問到相應(yīng)的指令或數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行地址變換，確定指令和數(shù)據(jù)的主存物理地址的稱為動(dòng)態(tài)定位方式。動(dòng)態(tài)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(zhuǎn)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(kuò)展編碼法

復(fù)雜指令系統(tǒng)(CISC)

1、20%與80%規(guī)律

20%的指令使用頻率比較高，占據(jù)了80%的處理機(jī)時(shí)間

2、VLSI技術(shù)(超大規(guī)模集成技術(shù))的發(fā)展引起的問題

軟硬件的功能分配問題

?為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的指令，不僅增加了硬件的復(fù)雜程度，而且使指令的執(zhí)行周期大大加長

減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)是RISC思想的精華

RISC的關(guān)鍵技術(shù)

1、延時(shí)轉(zhuǎn)移技術(shù)(一定不能改變?cè)瓉沓绦虻臄?shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系)

?轉(zhuǎn)移指令好象被延遲執(zhí)行了，稱為延時(shí)(遲)轉(zhuǎn)移技術(shù)；

?指令序列的調(diào)整由編譯器自動(dòng)進(jìn)行；

?調(diào)整指令序列時(shí)一定不能改變?cè)瓉沓绦虻臄?shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系。

2、指令取消技術(shù)

?在許多情況下找不到可以用來調(diào)整的指令，此時(shí)采用指令取消技術(shù)

3、重疊寄存器窗口技術(shù)

?重疊寄存器窗口技術(shù)的基本思想：在處理機(jī)中設(shè)置一個(gè)數(shù)量比較大的寄存器堆，并把它劃分成很多個(gè)窗口。

4、指令流調(diào)整技術(shù)

?優(yōu)化編譯器必須分析程序的數(shù)據(jù)流和控制流。當(dāng)發(fā)現(xiàn)指令流有斷流可能時(shí)，要調(diào)整指令序列。

存儲(chǔ)器的性能：速度、容量、價(jià)格

存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員是透明的，并且，從應(yīng)用程序員看它是一個(gè)存儲(chǔ)器，這個(gè)存儲(chǔ)器的速度接近速度最快的那個(gè)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量與容量最大的那個(gè)存儲(chǔ)器相等或接近，單位容量的價(jià)格接近最便宜的那個(gè)存儲(chǔ)器。

二種存儲(chǔ)系統(tǒng)：

(1)Cache和主存儲(chǔ)器構(gòu)成的Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員都是透明的

(2)主存儲(chǔ)器和磁盤存儲(chǔ)器構(gòu)成的虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用程序員是透明的，對(duì)系統(tǒng)程序員是不透明的

虛擬存儲(chǔ)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(guī)則裝入到主存儲(chǔ)器中

?地址變換：在程序被裝入主存儲(chǔ)器后，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，把多用戶虛地址變換成主存實(shí)地址(內(nèi)部地址變換)或磁盤存儲(chǔ)器地址(外部地址變換)

段式存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)

1、程序的摸塊化性能好

2、便于數(shù)據(jù)程序共享

3、程序的動(dòng)態(tài)的連接，調(diào)度

4、便于實(shí)現(xiàn)信息保護(hù)

段式存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)

1、地址變換所花的時(shí)間長

2、主存儲(chǔ)器的利用率低

3、對(duì)輔存的管理比較困難

頁式存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)

1、主存儲(chǔ)器的利用率比較高

2、頁表相對(duì)比較簡單

3、地址印象和變化速度比較快

4、對(duì)輔存的管理比較容易

頁式存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)

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(chǔ)容量，用一個(gè)容量比較小的高速存儲(chǔ)器來存放頁表，從而加快頁表的查表速度

慢表是一個(gè)全表，快表只是慢表的一個(gè)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(nèi)容相聯(lián)訪問)

總結(jié)

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(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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