《计算机系统结构》

计算机系统结构

■第一章基本概念

■第二章指令系统

■第三章存储系统

■第四章输入输出系统

■第五章标量处理机

■第六章向量处理机

■第七章互连网络

■第八章并行处理机

■第九章多处理机

1

第二章指令系统

2」数据表示*本章主要内容：

2.2寻址技术*数据表示*、寻址技术*、

2.3指令格式的优化设计指令系统设计与优化

2.4指令系统的功能设计有三种类型的指令系统：

2.aVLIW指令系统CISC：复杂指令系统

RISC：精简指令系统

VLIW：超长指令字

指令系统设计：

指令的格式设计

本章介绍指令系统设计中2个最基本

的内容：数据表示，操作码优化。指令系统的功能设计

指令系统的性能评价

2

第二章指令系统

■指令系统是计算机系统结构的主要组成部分

■指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志

■指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁

■指令系统与软件之间的语义差距越来越大

3

第二章指令系统

-2.1数据表示

4

2.1.1数据表示与数据类型

■数据表示的定义：

■指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的

那些数据类型。（由硬件实现的数据类型）

■数据结构：

■面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。

■由软件实现的数据类型

■确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问

题。

■确定数据表示的原则：

■L缩短程序的运行时间

■2.减少CPU与主存储器之间的通信量

■3,这种数据表示的通用性和利用率

■数据表示在不断发展、扩大

■用软件和硬件相结合的方法实现新的数据表示

5

例2.2

■实现A二A+B,A和B均为200X200的矩阵，分析向量数据表示

的作用

■解：

■如果在没有向量数据表示的计算机系统上实现，一般需要6

条指令，其中有4条指令要循环4万次。

■因此，CPU与主存储器之间的通信量：

取指令2+4X40,000条，

读或写数据3X40,000个，

共要访问主存储器7X40,000次以上。

■如果有向量数据表示，只需要一条指令。

■减少访问主存（取指令）次数：4X40,000次

■缩短程序执行时间一倍以上。

6

2.1.2浮点数据表示

■浮点数的表示方式

■一个浮点数N可以用如下方式表示：

N=m♦月其中e=d

-m：尾数的值，包括尾数的码制（原码或补码）和数制（小数

或整数）

-e：阶码的值，移码（偏码、增码、译码、余码等）或补码，

整数

■rm：尾数的基值，2进制、4进制、8进制、16进制和10进制

等

阶码的基值，通常为2

-P：尾数长度，当1二16时，每4个二进制位表示一位尾数

-q：阶码长度，阶码部分的二进制位数，p和q均不包括符号

位

7

浮点数的存储方式

1位1位q位p位

em

mfef

■注：

■mf为尾数的符号位

■ef为阶码的符号位,

■e为阶码的值，

■m为尾数的值。

8

2.L2.5浮点数格式的设计

■定义浮点数表示方式的6个参数的确定原则：

■尾数:

■多数机器采用原码、小数表示。

■米用原码制表小：

■加减法比补码表示复杂，乘除法比补码简单，表示非常直

观。

■采用小数表示能简化运算，特别是乘除法运算。

■尾数的基值1选择2

■阶码:

■一般机器都采用整数、移码表示。

■采用移码表示的主要原因是：

■浮点0与机器0一致。阶码进行加减运算时，移码的加减法

运算要比补码复杂

■阶码的基值%取2

■浮点数格式设计的关键问题是：

■在表数范围和表数精度给定的情况下，如何确定最短的尾数

字长p和阶码字长q9

例2.5

■要求设计一种浮点数格式，其表数范围不小于1037,正、负数

对称，表数精度不低于10-16。

■解：。2"-1、1八37

■根据表数范围的要求：2>W

・解这个不等式：q>log(logl°37/bg2+l)=695

log2

■取阶码字长q=7,据表数精度的要求，得到：

16

1.2-(P-D<10-16-loglO-=532

2log2

■由于浮点数的字长通常为8的倍数，因此，取尾数字长p=55,

总的字长为1+1+7+55=64,浮点数格式如下：

1位1位7位55位

|rrif|ef|e|m-

10

■所设计浮点数格式的主要性能如下:

■最大尾数值：Q_)-Q-2-55)

・绝对值最小的尾数值：

m9

r/

・最大阶码：以-1=27-1=127

・最小阶码：—以二—2'=—128

・最大正数：

(jDU'="2-)/—-"？-＞？.=1.70x1()38

■最小正数：1—建1-27

----re——.z9=2-129=1.47x10-39

'mc

r'm2

11

■最大负数:

——=---2-27=-2-129=-1.47X10-39

r2

・最小负数:m

-（1-^）.q,T_（1_2一55）.227T=-（1-*）・2⑵=—1.70X1038

■表数4度：”

-17

5=工•广（P—D=工.2一（55T）=2-55=2.78X10

m

r7

'm乙

■浮点零：浮点零与机器零相同，64位全为0

■表数效率：采用隐藏位，表数效率h=100%

12

■研究浮点数表示方式的主要目的是用尽可能短的字长实现尽

可能大的表数范围和尽可能高的表数精度。

■理常尾数采用原码或补码纯小数表示，阶码采用移码整数表

■工.点数的尾数长度相等时，尾数的基为2具有最高表数精度。

■当浮点数的字长确定后，尾数基取2或4具有最大的表数范围

和最高的表数精度。

■规格化浮点数的表数精度最高。

13

2.1.3自定义数据表示

-一般处理机中的数据表示方法

■数据存储单元（寄存器、主存储器、外存储器等）只存放纯数

据

■通过指令中的操作码来解释：

■数据的类型（定点、浮点、字符、字符串、逻辑数、向量等）

■进位制（2进制、10进制、16进制等）

■数据字长（字、半字、双字、字节等）

■寻址方式（直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址

■数据的功能（地址、数值、控制字、标志等）等

-同一种操作（如加法）有很多条指令

■在高级语言和应用软件中，数据的属性由数据自己定义。

■在高级语言与机器语言之间的语义差距，要靠编译器等填补

■60年代开始，Burroughs公司在大型计算机中引入自定义数

据表示方式和带标志符的数据表示方式

14

2,L3.1采用标志符数据表示方法的主要优缺点

■采用标志符数据表示方法的主要优点

■(1)简化了指令系统。

■(2)由硬件自动实现一致性检查和数据类型的转换。

■(3)简化程序设计，缩小了人与机器之间的语义差距。

■(4)简化编译器，使高级语言与机器语言之间的语义差距大

大缩短。

■(5)支持数据库系统，一个软件不加修改就可适用于多种数

据类型。

■(6)方便软件调试，在每个数据中都有陷井位。

■采用标志符数据表示方法的主要缺点：

■(1)数据和指令的长度可能不一致。

■(2)指令的执行速度降低。程序的设计时间、编译时间和调

试时间缩短。

■(3)硬件复杂度增加。

15

2.L32数据描述符表示法

■数据描述符与标志符的区别：

标志符只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据。

■Burroughs公司生产的B-6700机中采用的数据描述符表示方法:

16

2.2寻址技术

■寻找操作数及其他信息的地址的技术称为寻址技术

■内容：编址方式、寻址方式和定位方式

■对象：寄存器、主存储器、堆栈和输入输出设备

■方法：分析各种寻址技术的优缺点，如何选择和确定寻址技

-2.2.1编址方式

-2.2.2寻址方式

■223定位方式

-重点是寻址方式的选择方法

17

2.2.1编址方式

■编址方式是指对各种存储设备进行编码的方法。

■221.1编址单位

■常用的编址单位：字编址、字节编址、位编址、块编址

等

■篇址单位与访问字长

一般：字节编址，字访问

部分机器：位编址，字访问

辅助存储器：块编址

■2.2.1.2零地址空间个数

■三个零地址空间：通用寄存器、主存储器和输入输出设

备均独立编址

■两个零地址空间：主存储器与输入输出设备统一编址

■一个零地址空间：所有存储设备统一编址，最低端是通

用寄存器，最高端是输入输出设备，中间为主存储器

■隐含编址方式，实际上没有零地址空间：堆栈、Cache等

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■2.2.1.3输入输出设备的编址

■一台设备一个地址：必须通过指令中的操作码来识别该输

入输出设备上的有关寄存器；

■一台设备两个地址：一个地址是数据寄存器，一个地址是

状态/控制寄存器；

■一台设备多个地址。对编程增加困难，常用于主存和输入

输出设备统一编址的计算机系统；

■2.2.L4并行存储器的编址技术

■高位交叉编址主要目的是用来扩大存储器容量。

■低位交叉编址主要目的是提高存储器速度。

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2.2.2寻址方式

■寻址方式：寻找操作数及数据存放单元的方法。

■22.2.1寻址方式的设计思想

■立即数寻址方式用于数据比较短、源操作数

■面向寄存器的寻址方式

■OPCR

OPCR,R

OPCR,R,R

■OPCR,M

■面向主存储器的寻址方式：

■OPCM

.OPCM,M

■OPCM,M,M

■面向堆栈的寻址方式：

■OPC

.OPCM

20

2.2,22间接寻址方式与变址寻址方式的比较

■目的相同：都是为了解决操作数地址的修改问题，都能做到不

改变程序而修改操作数地址。

■原则上，一种处理机中只需设置间址寻址方式与变址寻址方

式中的任何一种即可，有些处理机两种寻址方式都设置

■如何选取间址寻址方式与变址寻址方式？优缺点怎样？

■例2.7：一个由N个元素组成的数组，已经存放在起始地址为

AS的主存连续单元中，现要把它搬到起始地址为AD的主存连

续单元中。不必考虑可能出现的存储单元的重叠问题。为了

编程简单，采用一般的两地址指令编写程序。

21

解：用间接寻址方式编写程序如下:

start:moveasr,asi；保存源数组的起始地址

moveadr,adi；保存目标数组起始地址

movenum,ent;保存数据的个数

loop:move@asi,@adi;用间址寻址方式传送数据

incasi;源数组的地址增量

incadi;目标数组的地址增量

decent；个数减1

bgtloop;测试n个数据是否传送完

halt；停机

asr:as;源数组的起始地址

adr:ad;目标数组的起始地址

num:n;需要传送的数据个数

asi:0;当前正在传送的源数组地址

adi:0;当前正在传送的源数组地址

ent:0;剩余数据的个数

22

■用变址寻址方式编写程序如下：

start:moveas,x;源数组起址送变址寄存器

movenum,ent;保存数据个数，保证再入性

loop:move(x),ad-as(x);ad-as位地址偏移量，

;在汇编时计算

incx;增量变址寄存器

decent;个数减1

bgtloop;测试n个数据是否传送完成

halt；停机

num:;需要传送的数据个数

ent:;剩余数据的个数

23

■主要优缺点比较：

采用变址寻址方式编写的程序简单、易读。

对于程序员，两种寻址方式的主要差别是：

间址寻址方式：间接地址在主存储器中，没有偏移量

变址寻址方式：基地址在变址寄存器中，有偏移量

实现的难易程度：间址寻址方式容易

指令的执行速度：间址寻址方式慢

对数组运算的支持：变址寻址方式比较好

■自动变址：

在访问间接地址过程中，地址自动增减

■变址与间址混合时，两种方式：

前变址寻址方式：EA=((X)+A)

后变址寻址方式：EA=(X)+(A)

24

■2.2.2.3寄存器寻址

■主要优点：

■指令字长短、指令执行速度快、支持向量和矩阵运算

■主要缺点：

・不利于优化编译、现场切换困难、硬件复杂

■2224堆栈寻址方式

■王要优点：

■支持高级语言，有利于编译程序；节省存储空间

■支持程序的嵌套和递归调用，支持中断处理

■主要缺点：

■运算薪度比较低，栈顶部分设计成一个高速的寄存器堆

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2.2.3定位方式

■程序的主存物理地址在什么时间确定？

■采用什么方式来实现？

■2.2.3.1程序需要定位的主要原因：

■程序的独立性；程序的模块化设计；数据结构在程序运行

过程中，其大小往往是变化的；有些程序本身很大，大于

分配给它的主存物理空间

■223.2直接定位方式：

■在程序装入主存储器之前，程序中的指令和数据的主存物

理就已经确定了的称为直接定位方式。

■2.2.3.3静态定位：

■在程序装入主存储器的过程中随即进行地址变换，确定指

令和数据的主存物理地址的称为静态定位方式。

■2・2.3.4动态定位：

■在程序执行过程中，当访问到相应的指令或数据时才进行

地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为动态定

位方式。

26

2.3指令格式的优化设计

■指令系统的作用：

-在机器上直接运行的程序是由指令组成的。

■指令系统是计算机所有命令的集合，是软件、硬件的之间的

一个主要分界面，也是他们之间互相沟通的一座桥梁。主要

研究指令格式、数据表示和寻址方式

■硬件设计人员采用各种手段实现指令系统，而软件设计人员

则使用这些指令系统编制系统软件和应用软件，用这些软件

来填补指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。指

令系统发展越缓慢，需要用软件来填补的东西就越多。

■指令系统设计必须由软件设计人员和硬件设计人员共同来完

成。

27

2.3指令格式的优化设计

・主要目标：

■节省程序的存储空间

■指令格式尽量规整，便于译码

■研究内容：

■操作码的优化表示；地址码的优化表示

■2.3.1指令的组成

・2.3.2操作码的优化设计

-2.3.3地址码的优化设计

-2.3.4指令格式设计举例

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2.3.1指令的组成

■一般的指令主要由两部分组成：

■操作码和地址码

操作码(0PC)地址码(A)

■地址码通常包括三部分内容：

■地址：地址码、立即数、寄存器、变址寄存器

■地址的附加信息：偏移量、块长度、跳距

■寻址方式：直接寻址、间接寻址、立即数寻址、变址寻址、

相对寻址、寄存器寻址

■操作码主要包括两部分内容

■操作种类：力口、减、乘、除、数据传送、移位、转移、输

入输出、程序控制、处理机控制等

■操作数描述：

■数据的类型：定点数、浮点数、复数、字符、字符串、

逻辑数、向量

■进位制:2进制、10进制、16进制

■数据字长：字、半字、双字、字节

2.3.2操作码的优化表示

■操作码的三种编码方法：

固定长度，Huffman编码、扩展编码

■改进操作码编码方式能够节省程序存储空间

■例如：Burroughs公司的B-1700机

操作码整个操作系统所用改进的

编码方式指令的操作码总位数百分比

8位定长编码301,2480

4-6-10扩展编码184,96639%

Huffman编码172,34643%

30

2.3.2.1固定长操作码

■就是所有指令使用相同的代码位数，其最小码长等于:

Z=4=「log2"]

■式中L是平均码长，Z,是第i种指令的码长，n是指令总数。

■优占.频整译码简单”

■缺出；浪费i言息量（操作码的总长位数增加）

■例:已知n=15,求定长编码的最小平均码长。

■解：_

2=52〃]=「喧15]=4

■如：

■IBM公司的大中型机：最左边8位为操作码

■Intel公司的Intanium处理机：14位定长操作码

■许多RISC处理机采用定长操作码

31

2.3.2.2Huffman编码法

.(1)Huffman压缩概念(最佳编码定理)

■1952年由Huffman首先提出

■最早用于电报报文编码，如e,t等使用频度高，用短编码;

q,x使用频度低，用长编码；

■基本原理---当用n个长度不等的代码分别代表n种发生概率

不等的事件时，按照短代码给高概率事件、把长代码给低

概率事件的原则分配，可使平均码长达到最低，即：

■使用频度高的指令，短编码

■使用频度低的指令，长编码

32

2.3.2.2Huffman编码法

■1992年由Huffman首先提出

■操作码的最短平均长度可通过下式计算：

几

i=l

■其中：Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率

■固定长操作码相对于Huffman操作码的信息冗余量为:

n

_

EAelog2A

R=l-i=l

log2〃

33

Huffman编码法

■把所有指令按照操作码在程序中出现的概率，自左向右从排

列好。

・选取两个概率最小的结点合并成一个概率值是二者之和的新

结点，并把这个新结点与其它还没有合并的结点一起形成新

结点集合。

■考薪结Q纂合中选取两个概率最小的结点进行合并，如此继

续进行下去，直至全部结点合并完毕。

■最后得到的根结点的概率值为1。

■每个结点都有两个分支，分别用一位代码“0”和“1”表示。

■从根结点开始，沿尖头所指方向，到达属于该指令的概率结

点，把沿线所经过的代码组合起来得到这条指令的操作码编

码。

34

例p92

■假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，如果采用固定长

操作码需要3位。已知各种操作码在程序中出现的概率如下表,

计算采用Huffman编码法的操作码平均长度，并计算固定长操

作码和Huffman操作码的信息冗余量。

利用Huffman树进行操作码编码的方法，又称为最小概率合并

法。

指令11131617

1415

概率0.450.300.150.050.030.010.01

35

解

0.450.300.150.050.030.010.01

36

.采用Huffman编码法所得到的操作码的平均长度

=0.45X1+0.30X2+0.15X3+0.05X4

+0.03X5+0,01X6+0.01X6=197（位）

■采用最优Huffman编码法，操作码的最短平均长度

=0.45X1.152+0.30X1.737+0.15X2.737

+0.05X4.322+0.03X5.059+0.01X6.644

+0.01X6.644=1.95®

37

指令序号概率Huffman编码法操作码长度

110.4501位

120.30102位

130.151103位

140.0511104位

150.03111105位

160.011111106位

170.0111111116位

采用3位固定长操作

码的信息冗余量为：

“】H11.97

7?=I—f=------=i=I--------x35%

「1叫7]3

38

■Huffman编码法的信息几余重仅为：

195

R=1--—^1.0%

1.97

-与3位定长操作码的冗余量35%相比要小得多

■Huffman操作码的优点：平均长度最短，信息的冗余量最小;

39

2.323扩展编码法

■Huffman操作码的主要缺点：

■操作码长度很不规整，硬件译码困难

■与地址码共同组成固定长的指令比较困难

■(1)扩展编码法：

■由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成

■如例p92改为1-2-3-5扩展编码法，操作码最短平均长度为:

■H=0.45X1+0.30X2+0.15X3

+(0.05+0.03+0.01+0.01)X5

=2.00

1.95

■信息冗余量为：R=l-=2.5%

166

■又如例p92改为2-4等长扩展编码法，操作码最短平均长度

■H=(0.45X0.30+0.15)X2+

(0.05+0.03+0.01+0.01)X4

220195

■信息冗余量为:R=1--—=11.4%

2.2040

7条指令的操作码扩展编码法

序号概率1-2-3-5扩展编码2-4等长扩展编码

110.45000

0.301001

12

130.1511010

0.05111001100

14

0.03111011101

15

160.01111101110

170.01111111111

平均长度2.02.2

信息冗余量2.5%11.4%

41

(2)等长扩展法

■为了便于实现分级译码，一般采用等长扩展法；

■根据不同的扩展标志，对于等长扩展法还可以有多种不同

的扩展方法，衡量的标准主要看这种编码方法的操作码的

平均长度是否最短，或信息量的冗余量是否最小；

■｝注码长表不：例如4-8T2法。

■这并不能说明具体编码方法，

■如下面两种编码方法都是4-8T2法。

■用码点数表示：例如15/15/15法，8/64/512法

42

15/15/15法

①每一种码长都有4位可编码位（前

「0000

面可以有相同的扩展标识前缀），

0001

可产生16个码点（即编码组合）；15，：

②使用其中15个来表示事件，留

下1个或多个码点组合作为更长〔1110

代码的扩展标识前缀；

r11110000

③表事件的码点必须符合“非前

11110001

缀原则”。即：已经用来表示15<::

事件的码点组合不能再作为其■■

它更长代码的前导部分，否则〔11111110

接收者会混淆；

④在4位的16个码点中，用15个表「111111110000

111111110001

示最常用的15中命令，“XXXX”■■■

用1个表示扩展到下一个4位，15<■■1■,

“1111XXXX"，而第二个4位的

16个码点也是如此做法，〔111111111110

“11111111XXXX”。

15/15/15编码法

8/64/512法

①每一种码长按4位分段

②每一段中至少要留下1位或多位r0000

0001

作为扩展标识，各段剩余的码

位一起编码，所产生的码点用

来对应被编码事件I0111

③每一段中的标识位指出后面还r10000000

有没有后续段。10000001

」：

④如，用头4位的“0XXX”表示最64■

常用的8中命令，接着操作码扩

展成2个4位，用“1XXX0XXX”、11110in

的64个码点表示64种指令，而

r100010000000

后面扩展成3个4位，用

100010000001

的个码点■

“1XXX1XXX0XXX”512:■

512<■■:■

表示512种命令。

<111111110111

8/64/512编码法

(3)不等长编码法

不等长操作码扩展编码法(4-6-10扩展编码)

各种不同长度操作码的指令

编码方法指令种类

4位操作码6位操作码10位操作码

15/3/161531634

8/31/168311655

8/30/328303270

8/16/256816256280

4/32/256432256292

45

小结

■操作码优化的主要目的：尽可能地减少各种信息冗余，即:

-空间、时间少、短，尽可能不要跨断；

-要想程序占地空间小，则应使操作码尽可能短。

46

2.3.3地址码的优化表示

■2.3.3.I,地址码个数的选择

■地址码个数通常有3个、2个、1个及。个等4种情况

■评价指令中地址码个数应该取多少的标准主要有两个：

■程序存储容量，包括操作码和地址码

■程序执行速度，以程序执行过程中访问主存的信息量代表

■通过一个典型例子来分析：

47

■例如：计算一个典型的算术表达式:

axb+c—d

JC—

e+/

■用三地址指令编写的程序如下:

MULX,A,B;X-(A)X(B)

ADDX,X,C；X-(X)+(C)

SUBX,X,D；分子的计算结果在中

ADDY,E,F;计算分母，存入Y

DIVX,X,Y；最后结果在X单元中

48

■用普通二地址指令编写的程序:

■MOVEX,A；复制临时变量到X中

■MULX,B

■ADDX,C

■SUBX,D；x中存放分子运算结果

■MOVEY,E；复制临时变量到Y中

■ADDY,F；丫中存放分母运算结果

.DIVX,Y;最后结果在X单元中

49

■用多寄存器结构的二地址指令编写程序：

■MOVERI,A;操作数a取至I」寄存器R1中

■MULRI,B

■ADDRI,C

■SUBRI,D;R1中存放分子运算结果

■MOVER2,E

■ADDR2,F;R2中存放分母运算结果

■DIVRI,R2;最后结果在RI中

■MOVEX,RI；最后结果存入X中

50

■用一地址指令编写的程序:

LOADE,先计算分母，

；取一个操作前到累加器中

ADDF;分母运算结果在累加器中

STOREX；保存分母运算结果到X中

LOADA；开始计算分子

MULB

ADDC

SUBD；累加器中是分子运算结果

DIVX；最后运算结果在累加器中

STOREX；保存最后运算结果到X中

51

■用0地址指令编写程序：ab*c+d-ef+/

■PUSHA;操作数a压入堆栈

■PUSHB;操作数b压入堆栈

■MUL;栈顶两数相乘，结果压回堆顶

■PUSHC

■ADD

■PUSHD

■SUB;栈顶是分子运算的结果

■PUSHE

■PUSHF

■ADD

■DIV;栈顶是最后运算的结果

■POPX;保存最后运算结果

52

用不同地址个数指令编写的程序

的存储容量和执行速度

地址数目指令条数访存次数程序存储量执行速度（访存信息量）

三地址5205P+15A=65B5P+15A+15D=185B

二地址7267P+14A=63B7P+14A+19D=215B

一地址9189P+9A=45B9P+9A+9D=117B

零地址124112P+7A=40B12P+7A+29D=272B

二地址8158P+7A+9R=8P+7A+9R+7D=96B

寄存器型40B

P表示操作码长度，A表示地址码长度，D表示数据长度，R表示通

用寄存器的地址码长度，B表示字节数。并取：D=2A=8P=16R=

8B

53

不同地址个数指令的特点及适用场合

程序程序程序执

地址数目适用场合

的长度存储量行速度

三地址最短最大一般向量，矩阵运算为主

二地址较短很大很低一般不宜采用

一地址较长较大较快连续运算,硬件结构简单

零地址取lx最小最低嵌套，递归，变量较多

二地址一般最小最快多累加器，数据传送较多

寄存器型

54

■关于地址码个数结论：

■对于一般商用处理机，采用多寄存器结构的二地址指令是

最理想的。

■如果氤调硬件结构简单，并且以连续运算（如求累加和等）为

主，宜采用一地址结构。

■对于以向量、矩阵运算为主的处理机，最好采用三地址结

构。部分RISC处理机也采用三地址指令。

■对于解决递归问题为主的处理机，宜采用零地址结构。编

程容易、节省程序存储量。

55

2.3.3.2.缩短地址码长度的方法

■用一个短地址码表示一个大地址空间

■用间址寻址方式缩短地址码长度

■方法：在主存储器的低端开辟一个专门存放间接地址的区

域

■用艮址寻址方式缩短地址码长度

■变址寻址方式中的地址偏移量比较短，

■用寄存器间接寻址方式缩短地址码长度

■例如：16个间址寄存器，用4位地址码就能表示很长的逻辑

地址空间。

56

2.3.4指令格式举例

■略

57

2.4指令系统的功能设计

■完整性是指应该具备的基本指令种类，通用计算机必须有5

类基本指令

■规整性包括对称性和均匀性

■对称性：所有寄存器同等对待，操作码的设置等都要对称,

■如:A-B与B-A

■均匀性：不同的数据类型、字长、存储设备、操作种类要

设置相同的指令

■高效率：指令的执行速度要快；指令的使用频度要高；各类

指令之间要有一定的比例

■兼容性：在同一系列机内指令系统不变（可以适当增加）

58

2.4.1基本指令系统

■指令的种类：数据传送，运算，程序控制，输入输出，处理

机控制和调试

59

1数据传送类指令

■由如下三个主要因素决定：

■数据存储设备的种类

■数据单位：字、字节、位、数据块等采用的寻址方式

■指令种类（以字为传送单位，不考虑寻址方式等）：

■通用寄存器通用寄存器

■通用寄存器->主存储器

■通用寄存器堆栈

■主存储器通用寄存器

■主存储器->主存储器

■主存储器堆栈

■堆栈通用寄存器

■堆栈主存储器

60

2运算类指令

■考虑四个因数的组合：

■(1)操作种类：力口、减、乘、除、与、或、非、异或、比较、

移位、检索、转换、匹配、清除、置位等

■(2)数据表示：定点、浮点、逻辑、十进制、字符串、定点

向量等

■(3)数据长度：字、双字、半字、字节、位、数据块等

■(4)数据存储设备：通用寄存器、主存储器、堆栈等

■以加法指令为例，一般应设置如下几种：

■寄存器-寄存器型的定点单字长加法指令

■寄存器-寄存器型的定点双字长加法指令

■寄存器-寄存器型的定点半字加法指令

■寄存器-寄存器型的字节加法指令

■寄存器-寄存器型的浮点单字长加法指令

■寄存器-寄存器型的浮点双字长加法指令

■寄存器-寄存器型的单字长逻辑加法指令

-寄存器-寄存器型的定点向量加法指令

-寄存器-寄存器型的浮点向量加法指令61

以移位指令为例

■需要组合以下三个因素：

■(1)移位方向：左移(L)、右移(R)

■(2)移位种类：算术移位(A)、逻辑移位(L)、循环移位(R)

■(3)移位长度：单字长(S)、双字长(D)

■组合起来共有：3X2X2=12种，

■其中，逻辑左移与算术左移相同

■一般机器中要设置10条移位指令

62

一般机器中要设置10条移位指令

■SLAS单字长算术左移

■SRAS单字长算术右移

■SLLS(SRLS)单字长逻辑左移，单字长算术左移

■SLRS单字长循环左移

■SRRS单字长循环右移

■SLAD双字长算术左移

■SRAD双字长算术右移

■SLLD(SRLD)双字长逻辑左移，双字长算术左移

-SLRD双字长循环左移

■SRRD双字长循环右移

63

3程序控制指令

■主要包括三类：转移指令、调用和返回指令、循环控制指令

■条件转移指令

■程序调用和返回指令：CALL转入子程序

■RETURN从子程序返回，本身可以带有条件

■中断控制指令:开中断、关中断、改变屏蔽、中断返回、自

陷等

■转移京件：零(Z)、正负(N)、进位(C)、溢出(V)及它们的组合

■主要条件转移指令有：

■BEQ等于零转移BNEQ不等于零转移

■BLS小于转移BGT大于转移

■BLEQ小于等于转移,或不大于转移

■BGEQ大于等于转移,或不小于转移

■BLSU不带符号小于转移

BGTU不带符号大于转移

■BLEQU不带符号小于等于转移,或不带符号不大于转移

■BGEQU不带符号大于等于转移,或不带符号不小于转移

-BCC没有进位转移BCS有进位转移

・BVC没有溢出转移BVS有溢出转移

64

IBM370系列机的转移指令

■条件码占用状态字PWS的34、35

PWS34PWS35条件对应的屏蔽码

00=1000

01>0100

10<0010

11溢出0001

■主要转移指令有2条：

■BCM,ADR；若屏蔽码M符合，转向ADR

■BCRM,R；若屏蔽码M符合，转向(R)

65

■举例：

指令助记符M

等于转移（零转移）BE(BZ)1000

低于转移（负转移）BL(BM)0100

高于转移（正转移）BH(BP)0010

溢出转移BO0001

非等于转移（非零转移）BNE(BNZ)0111

非高于转移（非正转移）BNH(BNP)1101

非低于转移（非负转移）BNL(BNM)1011

无条件转移B1111

66

复合条件转移指令

■代替2条指令，首先进行运算，并根据运算的结果决定是否转

移不需要条件码，与高级语言一致。

■例如：

DNBRADR;R-(R)-1,如果R羊0转移

INBRADR;R-(R)+1,如果R黄。转移

JEQRI,R2,ADR;如果(R1)=(R2)转移

JADEQ,Rd,Rs,ADR;Rd-(Rd)+(Rs),

;如果(Rd)=O转移

67

循环控制指令

■用1条指令完成循环的控制

■代替3条指令的功能：运算、比较和转移。

■例如：

■JLRs,Rz,Ri,ADR

■Rs中存放循环变量，Rz中存放循环终值，Ri中存放循环的

止上

“长。

■地址个数太多时，可以把其中的1个或几个地址隐含起来。

■例如，在IBM370下列机中，Ri隐含，循环步长放在与Rz紧相

邻的下一寄存器中。

68

■隐含转移指令

■应用场合：用于特殊的IF..THEN,.结构中，THEN部分只有

一条指令

-实统方法：把IF条件取反，如果取反后的条件成立则取消下

条指令，否则执行下条指令。

■例子：IF(a<b)THENb=b+l

COMP>=,Ra,Rb；若柒3)>=(1^)则取消

INCRb

■达到的效果：

■不需要专门的转移指令，程序执行效率高。

69

■程序调用和返回指令

■本身可以不带条件，也可以带有条件

CALL转入子程序

RETURN从子程序返回

CALLCC当条件CC满足时转入子程序

RETURNCC当条件CC满足时从子程序返回

■中断控制指令：

开中断、关中断

改变屏蔽

中断返回

自陷等

70

4输入输出指令

■主要有：启动、停止、测试、控制设备，数据输入、输出操

作等采用单一的直接寻址方式，

■在多用户或多任务环境下，输入输出指令属于特权指令

■也可以不设置输入输出指令，输入输出设备与主存储器共用

同一个零地址空间

71

5处理机控制和调试指令

■处理机状态切换指令

■处理机至少有两个或两个以上状态

■硬件和软件的调试指令

■硬件调试指令：

■钥匙位置、开关状态的读取寄存器

■和主存单元的显示等

■软件调试指令：

■断点的设置、跟踪，自陷井指令等

72

指令系统的优化设计

-指令系统的优化设计有两个截然相反的方向:

-1.复杂指令系统计算机CISC

■(ComplexInstructionSetComputer)

■增强指令功能，设置功能复杂的指令

■面向目标代码、高级语言和操作系统

■用一条指令代替一串指令

-2.精简指令系统计算机RISC

■(ReducedInstructionSetComputer)

■只保留功能简单的指令

■功能较复杂的指令用子程序来实现

73

2.4.2CISC指令系统

-2.4.2.1目标程序的优化

-2A2.2对高级语言和编译程序的支持

-2.4.2.3操作系统的优化实现

74

2.4.2.1目标程序的优化

■优化目标程序的指标主要有两个：

■一是缩短程序的长度，即减少程序的空间开销，

■另一个是缩短程序的执行时间，即减少程序的时间开销。

■优化目标程序的方法是：

■对大量的目标程序及其执行情况进行统计分析，找出那些

使用频度高，执行时间长的指令或指令串。

■对于那些使用频度高的指令，用硬件加快其执行，就能缩

短整个程序的执行时间。

■对于那些使用频度高的指令串，用一条新的指令来代替

■这样，不但能缩短整个程序的执行时间，而且能缩短整个

程序的长度，从而减少程序的空间开销。

■优化目标程序的主要途径有以下几个方面

■(1)增强数据传送指令的功能

■(2)增强运算型指令的功能；

■(3)增强程序控制指令的功能。

75

■(1)增强数据传送指令的功能。

■Intel8088处理机

■MOVE、PUSH和POP等3种数据传送指令的使用频度在程

序中占40%左右，执行时间占30%以上。

■IBM大中型计算机的统计结果

-数据传送指令所占的比例还要高

■数据传送指令在整个指令系统中占有非常重要的地位

■设计好数据传送指令对提高计算机系统的性能至关重要。

■(2)增强运算型指令的功能；

■在科学计算的应用程序中，经常要计算各种各样的函数

■为此，在有些计算机系统设置有常用的函数运算指令。

■如:开平方，三角函数sin(x)、cos(x)、tg(x),对数函数

ln(x)、lg(x),指数函数等

■这样，就能用一条指令代替软件的一个子程序来完成函数

计算。

76

■(3)增强程序控制指令的功能。

-循环在一般程序占有相当大的比例，

■许多循环程序中的循环体本身往往很短，

■在一般高级语言中，循环体中只有一条语句的约占40%

■有1至3条语句的约占70%左右。

-循环控制指令在整个循环程序中占据了相当大的比例。

■可以用一条循环控制指令来实现对循环变量的运算、测试

和转移功能。

77

2A2.2对高级语言和编译程序的支持

■大多数人都已经习惯用高级语言编写程序，只有在极少数有

特殊要求的场合才用机器语言或汇编语言编写程序。

■目前在机器上实际运行的绝大多数程序，都是用高级语言编

写，并经编译程序编译后生成的目标程序。

■然而，大多数高级语言与一般计算机的机器语言的语义差距

非常大，

■通常用高级语言编写的程序经编译程序编译后生成的目标

程序，与直接用机器语言或汇编语言编写的程序相比，时

间开销和空间开销都要大一个数量级。

■因此，改进指令系统，增加对高级语言和编译程序的支持，

缩小高级语言与机器语言的差距，就能提高整个计算机系统

的性能。

■面向高级语言和编译程序增强指令系