指令系统83学习.pptx

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1、2.1 数据表示2.1.1浮点数表示2.1.2 自定义数据表示2.2 寻址技术2.2.1 编址方式2.2.2 寻址方式2.2.3 程序在主存中的定位方法本章内容本章内容第1页/共164页2.3 指令格式的设计和优化2.3.1 指令操作码的优化2.3.2 地址码的优化表示2.3.3 指令格式设计实例2.4 指令系统的改进2.4.1 RISC与CISC的概述2.4.2 RISC指令系统实例习题二本章内容本章内容第2页/共164页第二章 指令系统指令系统是硬件和软件之间的接口，硬件设计人员采用各种技术来实现指令系统；软件设计人员基于指令系统来编制相应的系统软件，这些软件用来填补硬件实现的指令系统与各

2、种编程语言之间的语义差距。指令系统是计算机系统的软硬件功能分配的界面，指令系统设计是计算机系统结构设计的核心，它对计算机系统的性能有直接影响。指令系统实际上定义了硬件和编译器之间的接口，它是一种硬件和编译器都能理解的语言。一方面，指令系统表明了一台计算机具有哪些硬件功能，是硬件逻辑设计的基础。因此，在指令系统层，应该定义一套在当前和将来技术条件下能够高效率实现的指令集，从而使高效率的设计可用于今后的若干代计算机中。另一方面，指令系统应该为编译器提供明确的编译目标，使编译结果具有规律性和完整性。第3页/共164页第二章 指令系统指令系统是硬件和软件之间的接口，硬件设计人员采用各种技术来实现指令系

3、统；软件设计人员基于指令系统来编制相应的系统软件，这些软件用来填补硬件实现的指令系统与各种编程语言之间的语义差距。指令系统是计算机系统的软硬件功能分配的界面，指令系统设计是计算机系统结构设计的核心，它对计算机系统的性能有直接影响。指令系统实际上定义了硬件和编译器之间的接口，它是一种硬件和编译器都能理解的语言。一方面，指令系统表明了一台计算机具有哪些硬件功能，是硬件逻辑设计的基础。因此，在指令系统层，应该定义一套在当前和将来技术条件下能够高效率实现的指令集，从而使高效率的设计可用于今后的若干代计算机中。另一方面，指令系统应该为编译器提供明确的编译目标，使编译结果具有规律性和完整性。第4页/共16

4、4页第二章 指令系统本章主要介绍与指令系统直接有关的数据表示，然后阐述指令系统优化设计的方法和技术，最后讨论指令系统发展中的CISC（复杂指令系统计算机）和RISC（精简指令系统计算机）两种设计思想，并介绍典型RISC处理器MIPS R4000和SPARC的指令系统。第5页/共164页2.1 数据表示数据表示是数据类型中最常用的、相对比较简单的、易于硬件实现的那些数据类型。相对较复杂的数据类型，如表、树、队列、链表等则是由软件来处理，它们是数据结构研究的对象。数据结构和数据表示是软、硬件的交界面。系统结构设计在软、硬件功能分配时，应考虑在机器中设置哪些数据表示，以便对应用中的数据结构有高的实现

5、效率，这是以花费适当的硬件为代价的。由于基本的数据表示在其他课程已有详细阐述，本节介绍主要更深入地介绍浮点数表示涉及到的一些问题，以及自定义数据表示。第6页/共164页2.1.1浮点数表示现代的大部分计算机都引入了浮点数据表示，典型的长度有32位和64位。浮点数表示的关键问题是，在数据字长确定的情况下，能设计出一种具有最佳表示范围、表示精度和表示效率的浮点数表示方式。1.浮点数的表示范围在机器中，典型的浮点数机器字格式如图2-1所示。第7页/共164页图2-1中，浮点数机器字代码由两部分组成：阶码部分和尾数部分。阶码部分包含了阶符和阶码值两部分。尾数部分包括数符和尾数值。浮点数的值可表示为：图

6、2-1中，浮点数机器字代码由两部分组成：阶码部分和尾数部分。阶码部分包含了阶符和阶码值两部分。尾数部分包括数符和尾数值。浮点数的值可表示为：其中2.1.1浮点数表示第8页/共164页浮点数表示需要确定以下6个参数：尾数的基rm尾数表示可以采用用二进制、四进制、八进制、十六进制和十进制等，即尾数的基rm可分别取值为2、4、8、16、10等。尾数的值m尾数的值可以采用原码或补码表示，数值可以采用小数或整数表示。尾数长度n尾数占用的二进制位数称为尾数长度，不包括符号位。2.1.1浮点数表示第9页/共164页尾数的基为rm，尾数长度为n可表示的rm进制数的位数为 。当尾数采用二进制即rm=2时，尾数长

7、度n就是；如果尾数采用十六进制，则需要4位二进制数表示1位十六进制数，这时十六进制尾数的实际位数为 =n/4 阶码的基re阶码一般采用二进制表示，即阶码的基re=2。阶码的值e阶码的值e一般采用移码或补码表示，数值采用整数表示。阶码长度q由于阶码采用二进制，因此，阶码长度q的值就是阶码部分的二进制数位数。注意q不包括阶码符号位。2.1.1浮点数表示第10页/共164页从式（2-1）可以看出，浮点数的表示范围与尾数的基值rm有关，也与阶码位数q和尾数位数p以及采用的机器数表示形式有关。由于机器字长的限制，任何一种浮点数的表示范围和可表示的浮点数个数是有限的，浮点数只能表示出数轴上分散于正、负两个

8、区间上的部分离散值，如图2-2所示。2.1.1浮点数表示第11页/共164页在浮点数表示的正数区间：规格化浮点数的最大正数值Nmax由尾数的最大正数值与阶码的最大正数值组合而成；规格化浮点数的最小正数值Nmin由尾数的最小正数值与阶码的最小负数值组合而成。在浮点数表示的负数区间：规格化浮点数的最大负数值（-Nmax）由尾数最大负数值与阶码最小负数值组合而成；规格化浮点数的最小负数值（-Nmin）由尾数的最小负数值与阶码的最大正数值组合而成。2.1.1浮点数表示第12页/共164页在尾数采用原码、纯小数，阶码采用移码、整数的浮点数表示方式中，规格化浮点数的表示范围N正和N负为：2.1.1浮点数表

9、示第13页/共164页当尾数采用补码、纯小数，阶码采用移码、整数的浮点数表示方式中，规格化浮点数在正数区间完全相同，但是负数区间有区别，N负的表示范围为：从以上公式可以看出，浮点数的表示范围与尾数的基值rm有关，也与阶码位数q和尾数位数p以及采用的机器数表示形式有关。但是，影响浮点数表示范围的主要因素是尾数基值rm和阶码位数q。2.1.1浮点数表示第14页/共164页例2-1 浮点数长度32位，数符1位和阶符1位，阶码长度q=6，尾数长度n=24，尾数和阶码采用二进制，即rm=re=2。尾数采用原码、纯小数，阶码采用移码、整数，其规格化浮点数表示范围为：即2.1.1浮点数表示第15页/共164

10、页例2-2 浮点数长度32位，数符1位和阶符1位，阶码长度q=6，尾数长度n=24，尾数采用十六进制和阶码采用二进制，即rm=16，re=2。尾数采用原码、纯小数，阶码采用移码、整数，给出其规格化浮点数表示范围。解：由于尾数采用十六进制，24位二进制表示6位十六进制数，故浮点数表示范围为：即2.1.1浮点数表示第16页/共164页2.1.1浮点数表示从上述两个例子可以看出，当浮点数阶码尾数的二进制位数、码制、小数点位置都相同时，则浮点数表示范围由基值rm决定，基值rm越大表示范围越大；但是，基值rm越大，浮点数在数轴上的分布越稀。2规格化浮点数的表数个数由于字长限制，浮点数表示方式所能表示的浮

11、点数个数是有限的、不连续的。可表示的规格化浮点数的个数应该是可表示的阶码的个数与可表示的尾数的个数的乘积。如果阶码的基re=2，则q位长的阶码可表示的阶码的个数为2q个。第17页/共164页 尾数的基为rm，n位长的尾数可表示的rm进制数的位数为 ，每个rm进制数的数位均可以有 共有rm个取值，所以，尾数的总个数为 ，但应去掉小数点后第1个 进制数位是0的那些非规格数。显然，非规格化尾数的个数占了全部尾数总个数的 的比例。因此，可表示的浮点数规格化数的总个数就为 。由此推出可表示的规格化浮点数的个数为：2.1.1浮点数表示第18页/共164页可以推出，越大，在与=2的浮点数相重叠的范围内，所表

12、示数的个数要少得多，即数的密度分布会更稀。3规格化浮点数的表数精度浮点数表示方式所能表示的浮点数个数是不连续的、有限的，只能表示出实数中很少的一部分，是实数的一个子集，称为浮点数集。浮点数集的表数误差指的是浮点数集中两个最接近的浮点数之间的误差。在浮点运算中，会出现运算中间结果或最后结果的尾数不在浮点集中的情况（不是溢出），这时必须用最接近这个结果的浮点数表示。如，浮点加法运算过程中，对阶操作需要对一个浮点数进行右规时，就要对尾数的最低位进行舍入，通常采用四舍五入来确定最低位的值，这时就产生了误差。2.1.1浮点数表示第19页/共164页表数误差也称为表数精度。规格化浮点数的表数精度直接与尾数

13、基rm的取值和rm进制的尾数位数 有关。规格化浮点数运算中，如果需要对尾数的最低位进行处理，通常采用四舍五入的规则，因此，可以认为表数误差是尾数的最后一位的值的一半。由此可以得出规格化浮点数的表数精度为：（2-3）2.1.1浮点数表示第20页/共164页根据式（2-3），可以得出例2-1和例2-2中两种不同尾数基值浮点数的表数精度分别为：比较以上的两个浮点数的表数精度，可以看出尾数基值rm=16时，其表数精度与rm=2相比将损失23倍。显然，当浮点数尾数的二进制位数长度相同时，尾数基值rm为2具有最高的表数精度。2.1.1浮点数表示第21页/共164页4浮点数机器字的格式设计定义一种浮点数机器

14、字的格式需要确定浮点数表示的6个参数，具体原则如下：确定尾数m的数制和码制。主要从运算简单、表数直观等方面来考虑，目前多数机器尾数m采用小数、原码表示。尾数m采用原码表示，虽然加减法比采用补码表示复杂，但乘除法要简单得多。确定阶码e的数制和码制。目前一般机器阶码e都采用整数、移码表示。阶码e采用移码表示的主要原因是使浮点数零与机器零一致，而且移码的大小直接反映了阶码真值的大小，这便于两个浮点数的阶码比较。由于阶码主要是用来扩大浮点数的示数范围的，因此，阶码e必须用整数表示。2.1.1浮点数表示浮点数表示第22页/共164页确定尾数的基rm。前面的讨论表明在浮点数机器字长一定的情况下，取rm=2

15、时，浮点数有最高的表数精度。目前多数机器尾数基值rm 取2。确定阶码的基re。在一般通用计算机中，都取re=2。在浮点数表示方式中，尾数长度n主要影响表数精度，阶码长度q主要影响示数范围。可根据要求的示数范围和表数精度确定n和q的值。按照目前多数实际机器的情况，假设：浮点数尾数m用原码、小数表示，阶码e用移码、整数表示，尾数基值rm=2，阶码基值re=2。要求浮点数表示范围不小于N（N为可表示的最大正数），表数精度不低于，确定q和n的值的方法如下。2.1.1浮点数表示浮点数表示第23页/共164页根据浮点数表示范围的要求，可得下式：解这个不等式：得到阶码长度q为：（2-4）2.1.1浮点数表示

16、浮点数表示第24页/共164页根据浮点数表示精度要求，可得下式：故得出尾数长度n为：（2-5）由（2-4）和（2-5）两个不等式得出的阶码长度q和尾数长度n，再加上一个尾数符号位mf和一个阶码符号位ef，就组成了一种满足以上假设浮点数表示范围和表数精度的浮点数机器字格式。一般为了使浮点数机器字字长满足整数边界的要求，还需要适当调整q和n的值。2.1.1浮点数表示浮点数表示第25页/共164页例2-3 设浮点数尾数m用原码、小数表示，阶码e用移码、整数表示，尾数基值rm=2，阶码基值re=2。要求规格化浮点数的表示范围N为，要求浮点数表数精度不低于，试设计一种浮点数的格式。根据浮点数表示范围的要

17、求，用式（2-4）计算阶码的长度q：2.1.1浮点数表示浮点数表示第26页/共164页考虑到要满足整数边界，可取阶码长度 位。根据浮点数表数精度要求，用式（2-5）计算尾数长度n：考虑到要满足整数边界，可取尾数长度n=54位。2.1.1浮点数表示浮点数表示第27页/共164页此例中，阶码长度q=7位，尾数长度n=54位，再加上1位尾数符号位和1位阶码符号位，则浮点数机器字字长为2+q+n=63位，距离机器字字长的整数边界要求还差1位。这一位可以加到尾数长度n上用以提高表数精度，也可以加到阶码长度q上用以扩大示数范围。如果将这1位加到尾数长度上，则设计的64位浮点数机器字格式如图2-3所示。2.

18、1.1浮点数表示浮点数表示第28页/共164页在数据表示上，高级语言与机器语言一直存在语义差距。高级语言中，在引用数据之前必须用类型说明语句定义数据类型，其运算符不反映数据类型，是通用的。如在C语言程序中，有以下语句：int i，jfloat x，yi=i+jx=x+y2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第29页/共164页由此可见，i、j是整型数据，x、y是实型数据，运算符“+”可用于整型也可用于实型数据相加。然而，一般的机器语言程序则完全不同，指令中是由操作码定义操作数据的类型。如浮点数加法机器指令：以上指令中，操作码是浮点加，指定对操作数X和Y进行浮点加法运算，无论X和Y是否是浮点数，

19、都是按浮点数对待。因此，编译时就需要把高级语言程序中的数据类型说明语句和运算符转换成机器语言中不同类型指令的操作码，并要验证指令中操作数的类型是否与运算符所要求的一致，若不一致，还需用进行处理，从而增加了编译程序的复杂性。浮点加XY2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第30页/共164页为了在数据表示上缩小高级语言与机器语言的语义差距，有人提出在机器语言级实现自定义数据表示，即由数据本身定义自己的类型，同时也简化了指令系统和编译器。自定义数据表示主要有带标志符的数据表示和数据描述符数据表示。1.带标志符的数据表示带标志符的数据表示是指在数据中采用若干位来表示数据的类型。2.1.2自定义数据表

20、示自定义数据表示第31页/共164页如早期的B7500大型机中，每个数据用三位标志符来区分8种数据类型，如图2-4所示。标志符虽然主要用于指明数据类型，也可用于指明所用信息类型。二十世纪70年代的R-2计算机中，采用带标志符的数据表示的数据字格式如图2-5所示。2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第32页/共164页图2-5中，共有10位标志，2位功能位用于区别数据是操作数、指令、地址还是控制字。2位陷阱位用于软件定义4种捕捉方式，为程序员对程序进行跟踪控制提供方便。1位读写位用于指定数据是只读的还是可读可写的。4位类型位可在功能位定义的基础上进一步定义数据的类型。如果功能位定义了数据类型是

21、操作数，则类型位进一步定义操作数是二进制数、十进制数、定点数、浮点数、字符串、单精度、双精度等。如果功能位定义了数据类型是地址，则类型位进一步定义地址的寻址方式等。最后1位标志位是奇偶校验位。2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第33页/共164页标志符数据表示缩小了高级语言和机器语言语义差距，但是数据字因增设标志符，会增加程序所占的主存空间，而且按标志符确定数据属性及判断操作数之间是否相容等操作，会降低单条指令的执行速度。2数据描述符数据表示对于一组具有相同类型而且是连续存放的数据，如向量、矩阵和多维数组，没有必要让每个数据都带有相同的标志符，因此，可以采用数据描述符。2.1.2自定义数据

22、表示自定义数据表示第34页/共164页数据描述符与标志符的主要区别是：标志符只作用于一个数据，而描述符要作用于一组数据。因此，标志符通常与数值一起存放在同一个数据单元中，而描述符一般单独占用一个存储单元。描述符在描述一组数据的属性中，还包括整个数据块的访问地址、长度及其他特征或信息。B6700计算机的描述符如图2-6所示，前三位为“000”，表示该字为数据；前三位为“101”，表示该字为数据描述符。如果该字是数据描述符，则进一步用8位标志位描述数据特性。如果描述的是整块数据时，“地址”字段用于指明首元素的地址，“长度”字段用于指明块内的元素个数。2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第35页/

23、共164页（a）数据描述符图2-6 B6700机中数据描述符表示（b）数据2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第36页/共164页可以将描述符按树型连接以描述多维数组表示。例如，有一个34二维阵列A：图2-7表示了用数据描述符描述A阵列的情况，具体使用了两级描述符，一级描述符一个，二级描述符是连续存放的三个描述符，描述符的前三位都为101。a00 a01 a02 a03 A=a10 a11 a12 a13 a20 a21 a22 a232.1.2自定义数据表示自定义数据表示第37页/共164页一级描述符的“长度”位为3，指向有3个元素的二级描述符的首址；每个二级描述符的“长度”位都为4，分别

24、指向对应的有4个元素的数据。实际上，两级描述符构成了一颗双层树。类似的，用三层结构的描述符就可以描述三维数组。图2-7中，二维阵列A是一条指令的一个操作数，指令中的一个地址X指向描述A阵列的一级描述符，OP表示操作码。2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第38页/共164页 图2-7 用数据描述符表示一个34二维阵列2.1.2自定义数据表示自定义数据表示第39页/共164页从指令系统层来看，程序所处理的数据通常存放在主存储器、寄存器、堆栈、I/O接口中，寻址技术就是指如何从这些存储部件中获得数据的技术。寻址技术主要讨论存储部件的编址方式、寻址方式和定位方式。在“计算机组成原理”课程中对指令的

25、各种寻址方式有详细的介绍，在本节我们更注重于分析和比较它们的特点。2.2寻址技术寻址技术第40页/共164页要访问存放在主存储器、寄存器、堆栈、I/O接口中的数据，必须对这些存储部件的空间进行编址。编址方式主要涉及编址单位和编址空间。1.编址单位存储空间常用的编址单位有：字编址、字节编址和位编址。字编址是指每个编址单位与访问的数据存储单元（如读/写一次寄存器、主存单元）相一致，即每个编址单元的二进制位数与一次访问存储部件所获的二进制位数是相同的。这种方式硬件实现容易，但是不便于处理非数值（如字符）信息。目前仍然有一些面数值计算的机器采用这种编址方式。2.2.1编址方式编址方式第41页/共164

26、页字节编址是指以1个字节作为编址单位。这是目前大多数通用计算机采用的编址方式，以适应非数值计算的应用需求。位编址是指以1个二进制位作为编址单位。在很多单片机中，有的存储器区域和控制寄存器可以按位编址，同时它们也按字节编址，对位进行访问或操作是用位操作指令完成。单片机主要用于嵌入式系统的硬件控制，使用位操作指令可以很方便地对I/O端口的位进行处理。多数机器按字节编址，但是通常主存储器的字长是4个字节以上，而且多数机器允许按字节、单字、双字访问存储器，因此编址单位与访问存储器的信息宽度不一致，从而产生数据如何在存储器中存放的问题。2.2.1编址方式编址方式第42页/共164页如某台机器，按字节编址

27、，数据有字节（8位）、半字（双字节）、单字（4字节）和双字（8字节）不同宽度。主存数据宽度64位，即一个存储周期可访问8个字节。采用按字节编址，大于字节宽度的数据是用该数据的首字节地址来寻址的。一种存放数据的方法是，在主存中允许数据从任意字节地址单元存放，如图2-8（a）所示，这种方法很容易出现一个数据跨主存宽度边界存储的情况；对于跨界存放的数据，即使数据宽度小于或等于主存宽度，也需要两个存储周期才能访问到，导致访问速度显著下降。2.2.1编址方式编址方式第43页/共164页另一种数据存放方法是，要求数据在主存中存放的地址必须是该数据宽度（字节数）的整数倍，即双字地址的最低3个二进制位必须为0

28、00，单字地址最低2位必须为00，半字地址最低1位必须为0，如图2-8（b）所示。这种存放方法也称为按整数边界存储方式，它可以使访问任意宽度的数据都只用一个存储周期。虽然浪费了一些存储空间，但是速度比上一种方法有显著提高。2.2.1编址方式编址方式第44页/共164页（a）数据按任意字节地址存放图2-8 数据在主存中的存放方式第45页/共164页（b）数据按整数边界存放图2-8 数据在主存中的存放方式第46页/共164页2.编址空间的组织计算机中需要编址的存储部件主要有：通用寄存器、主存储器和I/O接口。它们的编址空间可以有以下3种组织方式。（1）三个地址空间由于通用寄存器、主存储器和I/O接

29、口的工作速度和容量等性能差别较大，很多机器中对这3个地址空间进行独立编址。也就是说，每个地址空间都从0开始编地址码。CPU中的通用寄存器数量有限，访问速度很快，其容量比主存储器小得多，所需要的地址码长度短。一般只有单一的直接寻址方式。2.2.1编址方式编址方式第47页/共164页主存储器的容量大，所需要的地址码长度很长。采用的寻址方式最复杂，一般有间接寻址和变址寻址等多种寻址方式，以避免在指令中直接表示主存单元的地址码。I/O接口中的寄存器的数量一般比通用寄存器多，其地址码长度介于寄存器和主存之间，因此多采用直接寻址方式，也有机器采用寄存器间址方式。三个地址空间独立编址，由于每个地址空间都从0

30、开始编码，因此三个空间会有重叠，但是指令的操作码和寻址方式会明确指出所访问的是哪个地址空间。访问I/O地址空间则需要设置专用的I/O指令。如Intel 80 x86系列就采用三个地址空间独立编址。第48页/共164页（2）二个地址空间CPU的通用寄存器独立编址；I/O接口寄存器和主存储器统一编址，统一编址空间的高端地址一般用于I/O接口寄存器地址。采用二个地址空间的组织方式，访问主存的指令就能访问I/O寄存器，可以减少指令条数，但存在的问题是主存的地址空间会减小。如VAX-11系列机就采用二个地址空间的组织方式。（3）一个地址空间所有数据存储单位统一编址，地址空间的低端地址是CPU的通用寄存器

31、地址，高端地址是I/O接口寄存器地址。在单片机中，片内存储器容量不大，一般采用一个地址空间，以减少指令种数。计算机中的一些专用寄存器或寄存器堆，如预取指令和数据的缓冲器，是不需要编址的。Cache存储器映射的是相联的主存内容，因此不需要编址。在堆栈型计算机中，数据的存取完全按照先进后出的方式进行，其存储部件是不需要编址的。第49页/共164页2.2.2 寻址方式一条指令包括操作码和地址码，指令的功能就是根据操作码对地址码提供的操作数完成指定的操作。指令中以什么方式提供操作数或操作数地址，称为寻址方式。CPU根据指令约定的寻址方式对地址字段的有关信息作出解释，以找到操作数。每种机器的指令系统都有

32、一套自己的寻址方式。不同计算机的寻址方式的分类和名称并不统一，但大多数可以归结为以下几种类型。（1）立即寻址 操作数在指令中，在取出指令的同时也就取出了可以立即使用的操作数，这种寻址方式称为立即寻址方式。它不需要访问任何地址空间，指令执行速度很快。缺点是指令字中的立即数长度有限，可用于为程序提供精度要求不高的整型常数。第50页/共164页（2）寄存器寻址操作数存放在寄存器中，在指令中给出寄存器地址（编号），执行指令时，根据该寄存器号就可以从中获取操作数。寄存器寻址方式有两个重要的优点：a.从CPU的寄存器中读取操作数要比访问主存快得多，因而在CPU中设置足够的寄存器，以尽可能多地在寄存器之间进

33、行运算操作，已成为提高工作速度的重要措施之一。b.由于寄存器数远小于主存单元数，所以指令中寄存器编号字段所占位数也就大大少于主存地址码所需位数。寄存器寻址方式是RISC计算机中主要和基本的寻址方式，尤其是其运算类指令的操作数和结果都采用这种寻址方式。它也是多数CISC计算机采用的寻址方式。第51页/共164页（3）主存寻址主存寻址方式主要有直接寻址方式、间址寻址方式和变址类寻址方式。.直接寻址方式直接寻址方式要求指令中直接给出操作数或结果所在主存单元的地址。这种寻址方式简单易于实现；但是主存容量很大使其地址码很长，而指令字中分配给地址码的位数有限，特别在二地址指令和三地址指令中，这个矛盾更加突

34、出。此外，直接寻址的地址码是指令的一部分，不能随程序需要而动态改变，不能满足程序循环和程序在主存中浮动的需要。第52页/共164页.间接寻址方式存储器间接寻址方式是在指令中给出操作数地址的地址，一般需要通过二次访问主存才能获得操作数。这种寻址方式通过多层读取来提供地址的可变性，增加了编程的灵活性；但指令中需要的地址码长，且访存次数的增加减慢了指令执行速度。寄存器间接寻址方式通过在寄存器中存放操作数地址，指令执行时，先访问寄存器号指定的寄存器并从中获得主存单元地址，然后再访问该主存单元地址指定的主存单元获得操作数。这种寻址方式能用短的地址码对相当大的主存空间寻址，寻址过程只需一次访存，因此广泛用

35、于大多数计算机中。而且，程序采用这种寻址方式可以通过修改间址寄存器内容访问不同的主存单元，为编程提供了方便。第53页/共164页.变址类寻址方式变址寻址方式由指令给出变址寄存器编号和一个形式地址（也称为地址偏移量），指令执行时，将变址寄存器内容与形式地址相加，得到操作数地址，按此地址访问主存单元就得到操作数。其典型用法是将指令中不能修改的形式地址作为基准地址，而将变址寄存器内容作为修改量。如某个数组存放在一段连续的主存区间中，首址为B，可让B作为指令中的形式地址，而变址寄存器中存放修改量，即所需访问单元与首址单元之间的距离。通过修改变址寄存器内容，该指令本身不需任何修改，就可以访问该数组的任何

36、一个元素。显然，变址寻址能够方便灵活地对数组、表格、链表等数据结构进行访问与处理。这种寻址方式通过地址计算使地址灵活可变，为大多数机器采用。第54页/共164页基址寻址方式是将指令给出的基址寄存器内容和一个形式地址相加得到操作数地址。其形成操作数地址的方法与变址相同，也可以认为是变址的一种特殊形式，但是二者的应用目的不同。基址寻址的一种典型应用是程序重定位。目标程序是在操作系统管理下调入主存运行的，因此用户在用高级语言编程时并不知道这段程序将被安排在主存的哪一段区域，所以用户编程时使用的是一种与实际主存地址无关的逻辑地址，将来运行时再自动转换为操作系统分配给它的实际主存地址（物理地址），这类问

37、题称为程序重定位。在多道程序方式中更需要解决程序重定位问题。显然，采用基址寻址方式能够较好地解决这个问题。在实现程序重定位时，由操作系统给用户程序分配一个基地址，并将它装入基址寄存器，在程序执行时就可以自动形成实际的主存地址。第55页/共164页另一种典型应用是扩展有限字长指令的寻址空间。由基址寄存器提供全字长的地址码，足以指向主存的任何区间，运行时基址寄存器装入某个主存区间的首址，或是程序段的首址。而指令中的形式地址位数较少，只需给出主存单元相对于首址的偏移量即可。例如主存容量16 MB，基址寄存器24位，基址可以指向全部地址空间；指令中相应地址字段16位，其中2位用于指定4个基址寄存器之一

38、，14位形式地址给出偏移量，可以访问某个16 KB的空间。由于程序运行的局部性，在某段时间内运行在一个有限区间之内，上述办法能够满足实际需要，通过修改基址可以移向另一区间。第56页/共164页需要指出，在实际机器中，变址/基址的应用方式可以有不同变化。有的机器中既有基址寻址也有变址寻址；有的机器中，基址寻址与变址寻址实际上是合二为一的；也有两种寻址的合成即基址变址寻址方式，需要进行两次变址计算才能得到操作数的地址。变址寻址的另一种特殊形式是相对寻址，这时变址寄存器就是程序计数器。程序计数器指示的是下条指令地址，而指令中的偏移量指出的是操作数地址与程序计数器内容之间的相对距离。当指令地址变化时，

39、由于其偏移量不变，使得操作数与指令在可用的存储区内一起移动，所以仍能保证程序的正确执行。相对寻址的指令在程序重定位时，指令地址码是不需要修改的，因此多数机器的转移类指令常采用相对寻址方式。第57页/共164页（4）堆栈寻址操作数存放在堆栈中，指令隐含约定由堆栈指针SP寄存器提供堆栈栈顶单元地址，进行读出或写入。堆栈中的数据只能先进后出，因此对堆栈空间寻址无需指明地址。如果堆栈操作指令的另一个操作数涉及寄存器或主存空间，则需要在指令中给出相应的寻址方式。堆栈寻址可省去有的地址字段，节省了程序空间，存储效率高。堆栈“后进先出”的特点非常适合子程序多重嵌套、递归调用、多重中断等方式。此外堆栈还适合于

40、逆波兰式计算场合。堆栈寻址几乎是现代计算机都采用的寻址方式。第58页/共164页一台机器的指令系统可以采用多种寻址方式，那么在指令中如何区分它们呢？常见的方法有两种：一种方法是由操作码决定其寻址方式，即由操作码含义隐含约定采用何种寻址方式；另一种方法是在指令中设置寻址方式字段，由字段不同的编码组合来指定操作数的寻址方式。第59页/共164页2.2.3 程序在主存中的定位方法在多数计算机中，编译器在对一个源程序或源程序段进行编译时，是不能确定程序在主存中的实际位置。因此，编译后的目标程序通常是从零地址开始分配地址空间，这种地址称为逻辑地址。逻辑地址的集合称为逻辑地址空间。计算机中的主存储器，是一

41、维线性编址的，这种地址称为主存物理地址，其地址的集合称为主存物理空间。对于多道程序，各目标程序的逻辑地址空间与物理地址空间是不一致的。当程序装入主存时，就需要进行逻辑地址空间到物理地址空间的转换，即对程序进行重定位。第60页/共164页一种定位方法是要求对程序中那些需要修改地址的指令和数据加上某种标识，在程序运行之前，由专门的装入程序一次将目标程序的带标识指令和数据的逻辑地址变换成物理地址，程序一旦装入主存其物理地址不再改变，这种定位技术称为静态重定位。这种定位方式允许程序每次运行前装入到主存不同的物理地址空间中，但是程序运行时位置不能改变。如图2-9所示，当目标程序A装入主存从a地址开始的物

42、理空间中时，为了正确运行程序，指令的地址码应必须根据不同的寻址方式作相应的变换。如用直接寻址、间接寻址和变址寻址访存时都应将指令中的逻辑地址加一个a值，而对立即数和相对地址，则不加a值。第61页/共164页图2-9 静态定位方式第62页/共164页静态定位方式允许程序在每次运行前装入到主存不同的物理地址空间中，但是程序运行时位置不能再改变，故主存利用率低。如果程序需要的容量超过分配给它的物理空间，就必须采用覆盖结构。此外，多个用户不能共享存放在主存中的同一个程序。而程序的动态定位方式则可以避免这些问题。程序动态定位方式是指，程序在装入主存时不修改指令的地址码，而是在程序执行时，通过硬件支持的基

43、址寻址方式将操作数的逻辑地址转换为主存的物理地址。第63页/共164页如图2-10所示，将目标程序A在主存中的起始地址a存入对应的基址寄存器中，程序执行时，由地址加法器将指令操作数的逻辑地址加上基址寄存器中程序的起始地址，就形成了操作数的物理地址。实际上，并不是所有指令的地址码都需要修改，如立即寻址和相对寻址是不需要修改的，为此需要在指令中标识本指令的主存地址码是否需要加上基址。第64页/共164页图2-10 动态定位方式第65页/共164页动态定位方式允许为一个程序分配不连续的主存空间，并且也允许多个程序共享存放在主存中的同一个程序段，有效地提高了主存的利用率。它还可以支持虚拟存储器，从而大

44、大扩展了逻辑地址空间。但实现动态定位方式需要有硬件支持且实现存储管理的软件算法较复杂。第66页/共164页2.3 指令格式的设计和优化设计者在选择指令格式时，必须考虑许多因素。包括扩展新指令和利用在指令系统的使用周期中出现的新技术都是相当重要的。具体的设计原则主要有三条。首先，一般情况下，短指令要优于长指令。由n条32位指令组成的程序所占的内存空间只是n条64位指令组成的程序的一半。内存带宽（内存每秒钟能够读写多少位）一直是系统的主要瓶颈之一，减小指令长度可以有效地缓解这一瓶颈。由于现代处理器具有在一个时钟周期内并行取多条指令的能力，较短的指令长度意味着可以更快地处理。但是，使指令长度达到最小

45、，可能会使译码和重叠执行变得困难，因此，在考虑最小化指令长度时，必须兼顾考虑译码和指令执行所需要的时间。第67页/共164页第二条原则是在指令格式中必须有足够的空间来表示所有的操作类型，还要考虑留下富余的空间给以后的扩展指令使用。如一台有2n种操作的计算机，它的指令长度必须大于n。第三条原则是关于地址码中位的数量。例如，设计一台使用8位字符、具有232个字符大小主存的计算机，一种方法是使用字节作为内存的基本单元，按字节编址可访问的地址空间是4 GB，字节编址使得对字符的操作相对容易实现，较短的地址也意味着指令长度相对较短，可以节约存储空间和取指时间；另一种方法是使用32位字作为内存的基本单元，

46、按字编址可访问的地址空间是16GB，大大高于前一种方法，但是对字符的操作需要程序从字中分离它们，且指令长度也会相对较长。2.3 指令格式的设计和优化第68页/共164页本节先描述与分析指令操作码的三种编码方式和地址码的优化，然后讨论典型的CISC处理器Pentium II与RISC处理器SPARC的指令格式。2.3 指令格式的设计和优化第69页/共164页2.3.1 指令操作码的优化一条指令是由操作码和地址码两部分组成的。指令操作码的优化，就是指如何用最短的二进制位数来表示指令的操作信息，使程序中指令的平均操作码长度最短。操作码的编码方式主要有三种：定长操作码、哈夫曼（Huffman）编码和扩

47、展编码。1.定长操作码定长编码是指所有指令的操作码长度都是相等的。如果需要编码的操作码有n个，那么，定长操作码的位数最少需要 位。例如用指令字中第一个字节（8位）表示操作码。这种方式有利于简化硬件设计和减少指令译码时间，但是浪费了信息量。很多机器如IBM公司的大、中型机和RISC（精简指令系统计算机）体系结构都采用这种编码方法。第70页/共164页2.哈夫曼编码哈夫曼（Huffman）编码法的基本思想是，当各种事件发生的概率不均等时，对发生概率最高的事件用最短的编码来表示，而对出现概率较低的事件用较长的编码来表示，这样可以使事件编码的平均位数缩短，从而减少处理时间。哈夫曼编码法可以用于信息压缩

48、的场合，如存储空间的压缩和时间的压缩。使用哈夫曼编码对操作码进行优化表示，就需要知道每种指令在程序中出现的概率（使用频度），这是通过对大量已有的典型程序进行统计后得出的。2.3.1 指令操作码的优化第71页/共164页编码优化的程度用平均码长来评价，平均码长定义为：（2-6）其中，是表示第i种操作码在程序中的出现概率或使用频度，共有n种操作码；是第i种操作码的编码长度。也可以用位冗余量来衡量编码优化的程度，位冗余量为 （2-7）其中 （2-8）2.3.1 指令操作码的优化第72页/共164页H称为信息熵（Entropy），表示用二进制编码表示n个码点时，理论上的最短平均编码长度。因此，对实际编

49、码的平均码长l，都有，故有0R1。2.3.1 指令操作码的优化第73页/共164页例2-4 假设某模型机共有n10种不同的指令，经统计各指令在程序中的使用频度如表2-1所示。若操作码用定长码表示需要 =4位。表2-1 某模型机指令使用频度举例指令使用频度（pi）指 令使用频度（pi）I10.25I60.08I20.20I70.05I30.15I80.04I40.10I90.03I50.08I100.022.3.1 指令操作码的优化第74页/共164页根据式（2-8）计算操作码的最短平均编码长度为：这表明模型机10种指令的操作码平均只需2.96位即可。如果用4位定长码表示，l=4，根据式（2-7

50、）计算信息冗余量为：2.3.1 指令操作码的优化第75页/共164页下面对此例使用哈夫曼编码，如图2-11所示。首先利用哈夫曼算法，构造哈夫曼树。将所有10条指令的使用频度从小到大排序构成一个结点集，每次从结点集中选择频度最小的两个结点合并成频度为这两个频度之和的父结点，若结点集不为空集，就将生成的新结点放到结点集中，继续从这个新的结点集中选择出2个频度最小的结点生成其父结点，直至结点集成为一个空集，就生成了一棵哈夫曼树。从根节点开始，对每个结点的两个分支分别用“0”和“1”标识。2.3.1 指令操作码的优化第76页/共164页图2-11 哈夫曼树举例第77页/共164页如果要得到指令Ii的操