计算机体系结构---第二章---指令系统

文章目录

数据类型
- 数据表示：哪些数据类型可以全部用硬件表示
- - 浮点数
  - 自定义数据表示
- 数据结构：哪些数据类型用软件实现
指令
- 指令按操作数存放方法进行分类：
- 操作码：
- 操作数：
- 寻址（待更新。。。。）
- 寻址技术之----编址方式
- - 编址单位
  - 数据存储方法
  - 编址地址的起始地址要求：
  - 大端数据与小端数据问题
  - 编址空间组织方式
- 指令的优化（待更新。。。。）
- - 优化方式
  - - 扩展编码方法
- 习题：

注：本文部分内容选自网易云课堂的北京邮电大学网课，推荐

数据类型

e.g. 文件表图树队列。。。。
数据表示和数据结构是数据类型的子集

数据表示：哪些数据类型可以全部用硬件表示

指：计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的数据类型，硬件实现也比较容易的数据类型。
e.g. 定点数、逻辑数、浮点数、字符、字符串、堆栈、向量、十进制数
每一条指令都有相应的指令与之对应，并有硬件加以支持

确定哪些数据类型用数据表示的原则：

时间性能
空间性能
CPU利用率

e.g. 用顶点数据表示浮点运算，指令多cpu与主存的通信量增大，时间加长；浮点数运算虽然硬件复杂度增加，但是浮点数据利用率高时间快

对于很复杂的数据类型，用数据表示硬件的代价很大，so软硬件相结合的方法最好

浮点数

自定义数据表示

因为高级语言中，编译器要根据数据的不同类型生成不同的指令，为简化指令系统，提出在机器语言一级有数据自己定义属性。

标志符：
描述一个数据
指用于标识数据类型，例如负数、几机制、浮点型等；
由编译器建立，对用户透明,对系统程序员不透明

采用标识符的优点：
简化指令系统，由硬件自动实现一致性检查和数据类型转换
问题：
数据和指令长度可能不一致----解决方法：1. 将数据和指令分别存储在两个存储器上 2.指令长向数字长靠拢 关于指令和数据的分开存储和混合存储参考博文：指令和数据混合存储与分开存储的比较
指令的执行速度时间降低 ----- 因为执行时要对每个标识符进行解释

硬件复杂度增加

增加了数据区域的存储空间

下图反映的是代标识符和不带标识符所占空间的比较
一般紫色>橘色，紫色：指令集字缩短，减少的存储空间；橘色：存储字长加长，增加的存储空间
因为指令条数>>字加长位数，紫<橘

描述符：
对于复杂数据结构连续存放的数据，没有必要让每个数据都带标识符
e.g. 例如矩阵、向量

描述一组数据，CF：标识符只表示一个数据
数据描述符中包含数据的各种标志位、长度、数据地址。能够使整个向量、矩阵、多维数组运算

优缺点和标志符相同

存储空间

数据结构：哪些数据类型用软件实现

e.g. 串，队，列，栈，阵列，链表，树，图

指令

组成；操作码&地址码
指令总是有一个操作码+0-n个操作数组成

指令按操作数存放方法进行分类：

堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。

不同类型对应的机器型号不同

其中通用寄存器有：

所以指令可以有多种表示：

操作码：

指令的操作种类
所用操作数的数据类型：if采用自定义数据表示法，不用指出类型，只要知道种类就行

操作数：

操作数地址
地址附加信息：偏移量，块长度，跳距
寻址方式

寻址（待更新。。。。）

大多数指令都有操作数，从哪里得到这些操作数，就需要寻址

立即寻址
直接寻址
寄存器寻址
变址寻址
基址变址寻址

寻址技术之----编址方式

在寻址之前就要编址
解释：编址就是对各种存储设备进行编码
设备：
ATT: 堆栈是一种存储设备但是他不用编址

编址单位

字编址
实现最容易：每个编制单位与设备的访问单位一致
每读完一条指令，程序计数器+1，每读完一个数据，地址计数器+1
缺点：没有对非数值计算提供支持，非数值要求按字节编址
字节编址
应用最普遍
优点：编址单位和信息的基本单位一致,有利于符号处理（ASCII码按字节）
缺点：访问字长为一个字节太窄了，通常主存储器的字长是4个字节以上，地址信息浪费，存储器空间浪费
位编址
优缺点同字节编址一致
应用：STAR-100
优缺点同字节编址，BUT地址信息浪费更大（e.g. 处理机字长64位，则一个地址末6位全为0，一个字节末3位为0，则访问一个字要占64个地址编码，一个字节要8个地址编码）

数据存储方法

优点：不浪费存储器资源

缺点：存储器读写复杂；存储器工作速度降低（因为除了访问一个字节之外，访问双字、单字、半字时要话费2个存储空间）

ATT : 最重要的是存储器访问时间

优点：存储器读写复简单；存储器工作速度块（因为除了访问一个字节之外，访问双字、单字、半字时要是1个存储空间）

缺点：浪费存储器资源

折中方案：使用最普遍

优点：保证无论双字单字都能在1个周期内完成

缺点：有浪费存储器资源，但优于第二种；读写仍然比较复杂

编址地址的起始地址要求：

大端数据与小端数据问题

究竟是左端最大还是右端最大

在按字节编址的存储器中，从右边开始编址：软件人员的习惯；从左边编址：硬件人员的习惯。
x86采用的是按右边编址

编址空间组织方式

三个零地址空间: 每种设备都是从0开始编址的

RISC；只有访问操作在3类存储设备中都能进行，而运算位移测试操作只能在通用寄存器中进行
CISC：all操作都能在3类设备上进行

2个零地址空间
地址高端部分— 输入输出设备，低端地址— 主存储器
缺点：指令执行过程复杂---- 所有访问主存储器的指令都要进行是否访问输入输出设备的判断
优点：简化指令系统

RISC：只有LOAD,STORE指令能访问主存储器，all运算操作都要在寄存器中进行。而访问输入输出通常操作简单，寻址方式单一因此RISC不适合2个零地址空间
CISC：访问输入输出设备单一，不需要联合在一起（主存+输入输出）
一个零地址空间
all 设备统一编址，地址低端是通用寄存器，高端是输入输出设备
隐含编址
堆栈，cache，特殊的寄存器，data是先进先出的方式不用编址

指令的优化（待更新。。。。）

目标：1. 节省程序的存储空间 2. 指令格式要尽量规整 3. 不能降低指令的执行速度

优化方式

定长编码
- 优点：公平规整，译码简单
- 缺点：浪费信息，操作码总长度增加
不定长编码（哈夫曼编码）
- 优先性
- 优点：平均码长最短，信息冗余最小
- 计算题：与扩展编码对比
  扩展编码a-b：先扩展a位，再扩展
扩展编码法：2者耦合：对于优先性大的，码长尽量小，且相对均匀

扩展编码方法

ATT:平均最短码长有负号(这里少写了)

如果直接就用HUffman编码方法，有以下问题：

所以需要扩展编码的方式，由固定长操作码和Huffman编码相结合

扩展编码的思想：

哈夫曼又称为前缀编码，因为短码不能是长码的前缀
高频率的用短码，低频率的用长码
哈夫曼编码不唯一

等长编码：
4-8-12扩展法：有采用15/15/15扩展；8/64/512扩展

ATT：
15-15-15：就是每次变低位的，高位为1111
8-64-512：扩展每4个里面的后3位

同理：3-6-9

2-4扩展法：

不等长编码：
4-6-10；8-31-16

习题：