计算机体系结构---第二章---指令系统
文章目錄
- 數據類型
- 數據表示：哪些數據類型可以全部用硬件表示
- 浮點數
- 自定義數據表示
- 數據結構：哪些數據類型用軟件實現
- 指令
- 指令按操作數存放方法進行分類：
- 操作碼：
- 操作數：
- 尋址（待更新。。。。）
- 尋址技術之----編址方式
- 編址單位
- 數據存儲方法
- 編址地址的起始地址要求：
- 大端數據與小端數據問題
- 編址空間組織方式
- 指令的優化（待更新。。。。）
- 優化方式
- 擴展編碼方法
- 習題：
注：本文部分內容選自網易云課堂的北京郵電大學網課，推薦
數據類型
數據表示：哪些數據類型可以全部用硬件表示
指：計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統直接調用的數據類型，硬件實現也比較容易的數據類型。
e.g. 定點數、邏輯數、浮點數、字符、字符串、堆棧、向量、十進制數
每一條指令都有相應的指令與之對應，并有硬件加以支持
確定哪些數據類型用數據表示的原則：
- 時間性能
- 空間性能
- CPU利用率
e.g. 用頂點數據表示浮點運算，指令多cpu與主存的通信量增大，時間加長；浮點數運算雖然硬件復雜度增加，但是浮點數據利用率高時間快
對于很復雜的數據類型，用數據表示硬件的代價很大，so軟硬件相結合的方法最好
浮點數
自定義數據表示
因為高級語言中，編譯器要根據數據的不同類型生成不同的指令，為簡化指令系統，提出在機器語言一級有數據自己定義屬性。
標志符：
描述一個數據
指用于標識數據類型，例如負數、幾機制、浮點型等；
由編譯器建立，對用戶透明,對系統程序員不透明
-
采用標識符的優點：
簡化指令系統，由硬件自動實現一致性檢查和數據類型轉換 -
問題：
數據和指令長度可能不一致----解決方法：1. 將數據和指令分別存儲在兩個存儲器上 2.指令長向數字長靠攏 關于指令和數據的分開存儲和混合存儲參考博文：指令和數據混合存儲與分開存儲的比較
指令的執行速度時間降低 ----- 因為執行時要對每個標識符進行解釋硬件復雜度增加
增加了數據區域的存儲空間
下圖反映的是代標識符和不帶標識符所占空間的比較
一般紫色>橘色，紫色：指令集字縮短，減少的存儲空間； 橘色：存儲字長加長，增加的存儲空間
因為指令條數>>字加長位數，紫<橘
描述符：
對于復雜數據結構連續存放的數據，沒有必要讓每個數據都帶標識符
e.g. 例如矩陣、向量
描述一組數據，CF：標識符只表示一個數據
數據描述符中包含數據的各種標志位、長度、數據地址。能夠使整個向量、矩陣、多維數組運算
優缺點和標志符相同
存儲空間
數據結構：哪些數據類型用軟件實現
e.g. 串，隊，列，棧，陣列，鏈表，樹，圖
指令
組成；操作碼&地址碼
指令總是有一個操作碼+0-n個操作數組成
指令按操作數存放方法進行分類：
不同類型對應的機器型號不同
其中通用寄存器有：
所以指令可以有多種表示：
操作碼：
- 指令的操作種類
- 所用操作數的數據類型：if采用自定義數據表示法，不用指出類型，只要知道種類就行
操作數：
- 操作數地址
- 地址附加信息：偏移量，塊長度，跳距
- 尋址方式
尋址（待更新。。。。）
大多數指令都有操作數，從哪里得到這些操作數，就需要尋址
- 立即尋址
- 直接尋址
- 寄存器尋址
- 變址尋址
- 基址變址尋址
尋址技術之----編址方式
在尋址之前就要編址
解釋：編址就是對各種存儲設備進行編碼
設備：
ATT: 堆棧是一種存儲設備但是他不用編址
編址單位
-
字編址
實現最容易：每個編制單位與設備的訪問單位一致
每讀完一條指令，程序計數器+1，每讀完一個數據，地址計數器+1
缺點：沒有對非數值計算提供支持，非數值要求按字節編址 -
字節編址
應用最普遍
優點：編址單位和信息的基本單位一致,有利于符號處理（ASCII碼按字節）
缺點：訪問字長為一個字節太窄了，通常主存儲器的字長是4個字節以上，地址信息浪費，存儲器空間浪費 -
位編址
優缺點同字節編址一致
應用：STAR-100
優缺點同字節編址，BUT地址信息浪費更大（e.g. 處理機字長64位，則一個地址末6位全為0，一個字節末3位為0，則訪問一個字要占64個地址編碼，一個字節要8個地址編碼）
數據存儲方法
優點：不浪費存儲器資源
缺點：存儲器讀寫復雜；存儲器工作速度降低（因為除了訪問一個字節之外，訪問雙字、單字、半字時要話費2個存儲空間）
ATT : 最重要的是存儲器訪問時間
優點：存儲器讀寫復簡單；存儲器工作速度塊（因為除了訪問一個字節之外，訪問雙字、單字、半字時要是1個存儲空間）
缺點：浪費存儲器資源
折中方案：使用最普遍
優點：保證無論雙字單字都能在1個周期內完成
缺點：有浪費存儲器資源，但優于第二種；讀寫仍然比較復雜
編址地址的起始地址要求：
大端數據與小端數據問題
究竟是左端最大還是右端最大
在按字節編址的存儲器中，從右邊開始編址：軟件人員的習慣；從左邊編址：硬件人員的習慣。
x86采用的是按右邊編址
編址空間組織方式
- 三個零地址空間: 每種設備都是從0開始編址的
RISC；只有訪問操作在3類存儲設備中都能進行，而運算位移測試操作只能在通用寄存器中進行
CISC：all操作都能在3類設備上進行
-
2個零地址空間
地址高端部分— 輸入輸出設備，低端地址— 主存儲器
缺點：指令執行過程復雜---- 所有訪問主存儲器的指令都要進行是否訪問輸入輸出設備的判斷
優點：簡化指令系統RISC：只有LOAD,STORE指令能訪問主存儲器，all運算操作都要在寄存器中進行。而訪問輸入輸出通常操作簡單，尋址方式單一因此RISC不適合2個零地址空間
CISC：訪問輸入輸出設備單一，不需要聯合在一起（主存+輸入輸出） -
一個零地址空間
all 設備統一編址，地址低端是通用寄存器，高端是輸入輸出設備 -
隱含編址
堆棧，cache，特殊的寄存器，data是先進先出的方式不用編址
指令的優化（待更新。。。。）
目標：1. 節省程序的存儲空間 2. 指令格式要盡量規整 3. 不能降低指令的執行速度
優化方式
- 定長編碼
- 優點：公平規整，譯碼簡單
- 缺點：浪費信息，操作碼總長度增加
- 不定長編碼（哈夫曼編碼）
- 優先性
- 優點：平均碼長最短，信息冗余最小
- 計算題：與擴展編碼對比
擴展編碼a-b：先擴展a位，再擴展
- 擴展編碼法：2者耦合：對于優先性大的，碼長盡量小，且相對均勻
擴展編碼方法
ATT:平均最短碼長有負號(這里少寫了)
如果直接就用HUffman編碼方法，有以下問題：
所以需要擴展編碼的方式，由固定長操作碼和Huffman編碼相結合
擴展編碼的思想：
等長編碼：
4-8-12擴展法：有采用15/15/15擴展；8/64/512擴展
ATT：
15-15-15：就是每次變低位的，高位為1111
8-64-512：擴展每4個里面的后3位
同理：3-6-9
2-4擴展法：
不等長編碼：
4-6-10；8-31-16
習題：
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机体系结构---第二章---指令系统的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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