數(shù)據(jù)表示尋址方式和指令系統(tǒng)

1、第二章 數(shù)據(jù)表示、尋址方式與指令系統(tǒng)目錄n數(shù)據(jù)表示 n尋址方式 n指令系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化n指令系統(tǒng)的發(fā)展和改進(jìn)1 數(shù)據(jù)表示n數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) n高級數(shù)據(jù)表示 n自定義數(shù)據(jù)表示（Self_defining）n帶標(biāo)識符的數(shù)據(jù)表示 n數(shù)據(jù)描述符 n向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 n堆棧數(shù)據(jù)表示 n引入數(shù)據(jù)表示的原則 n浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)基值大小和下溢處理方法的選擇（選講）數(shù)據(jù)表示n定義：機(jī)器硬件能直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。n條件：相應(yīng)的運(yùn)算指令和運(yùn)算硬件(處理部件)。n分類：基本數(shù)據(jù)表示、高級數(shù)據(jù)表示、自定義數(shù)據(jù)表示。n目標(biāo)：n縮小高級語言和機(jī)器語言間的語義差別n提高性能/價格n節(jié)省處理時間和存儲空間n實(shí)現(xiàn)：最小的存儲空

2、間、最簡單的存取算法。數(shù)據(jù)表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n數(shù)據(jù)表示：指的是能由機(jī)器硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。由硬件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：面向計算機(jī)系統(tǒng)軟件、面向應(yīng)用領(lǐng)域所需處理的數(shù)據(jù)類型。由軟件實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)類型。n目標(biāo)：最大限度滿足應(yīng)用要求、最簡化的方法實(shí)現(xiàn)。n實(shí)現(xiàn)：通過數(shù)據(jù)表示和軟件映象相結(jié)合方法實(shí)現(xiàn)。n數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)類型的子集。n數(shù)據(jù)表示的確定實(shí)質(zhì)上是軟、硬件的取舍問題n數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)表示是軟、硬件的界面 數(shù)據(jù)類型n定義：具有一組值的集合，且定義了作用于該集合的操作集。n目的：防止不同類型數(shù)據(jù)間的誤操作。n分類：基本類型、結(jié)構(gòu)類型。n基本數(shù)據(jù)類型n內(nèi)容：二進(jìn)制位、二進(jìn)制位串、整數(shù)、十進(jìn)制數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、

3、字符、布爾數(shù)等。n結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型定義：由一組相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復(fù)合而成的數(shù)據(jù)類型。n分類：系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型、用戶自定義數(shù)據(jù)類型n內(nèi)容：數(shù)組、字符串、向量、堆棧、隊(duì)列、記錄等數(shù)據(jù)表示中應(yīng)表達(dá)的內(nèi)容 n數(shù)值的表達(dá)n進(jìn)位制數(shù)、負(fù)數(shù)、小數(shù)點(diǎn)的方式 n字符和符號的表達(dá) ASCII碼 n數(shù)據(jù)單位的表達(dá) n字：邏輯單位，一條指令處理的數(shù)據(jù)單位。n字節(jié)、半字、字、雙字 n數(shù)據(jù)的屬性n類型、存放的位置、對數(shù)據(jù)的約束 Pentium數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型說明說明常規(guī)字節(jié)、字（16位）、雙字和四字可位于任意存儲位置上整數(shù)字節(jié)、字或雙字中的有符號二進(jìn)制值，使用2的補(bǔ)碼表示序數(shù)字節(jié)、字或雙字中的無符號整數(shù)未壓縮的二進(jìn)制編碼

4、的十進(jìn)制數(shù)（BCD）范圍09的BCD數(shù)字表示，每字節(jié)一個數(shù)字壓縮BCD每字節(jié)表示兩個BCD數(shù)字，值是099近指針表示段內(nèi)偏移的32位有效地址。位串一個連續(xù)的位序列，每個位都是單獨(dú)的字符串一個連續(xù)的字節(jié)、字或雙字的序列浮點(diǎn)數(shù)單精度、雙精度、擴(kuò)展雙精度浮點(diǎn)數(shù)數(shù)據(jù)表示的發(fā)展n定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示n用定點(diǎn)數(shù)表示浮點(diǎn)數(shù)n不方便而低效 n50年代提出變址操作，為向量、陣列提供方便。n用循環(huán)遍歷向量和陣列n可變長字符串?dāng)?shù)據(jù)表示 n支持串?dāng)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)n用于輸入、輸出、事務(wù)處理和編譯高級數(shù)據(jù)表示n自定義數(shù)據(jù)表示（Self_defining）n帶標(biāo)識符的數(shù)據(jù)表示 n數(shù)據(jù)描述符 n向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 n堆棧數(shù)據(jù)表示帶標(biāo)識符

5、的數(shù)據(jù)表示 主要用于指明數(shù)據(jù)類型（如二進(jìn)制整數(shù)、十進(jìn)制整數(shù)等，也可用于指明及其內(nèi)部所用信息的各種類型。 對高級程序員透明。 類型標(biāo)志數(shù)據(jù)值帶標(biāo)識符的數(shù)據(jù)表示的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):n簡化指令系統(tǒng)和程序設(shè)計n簡化編譯程序n便于一致性校驗(yàn)n能由硬件自動完成數(shù)據(jù)類型的變換n支持?jǐn)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無關(guān)的要求n為軟件調(diào)試和應(yīng)用軟件開發(fā)提供支持； 缺點(diǎn)：n使程序所占用的主存空間增加（如下圖）n降低指令的執(zhí)行速度；n必須用專門的指令完成標(biāo)識符的初始化 采用標(biāo)識符縮短操作碼而節(jié)省程序空間AB采用標(biāo)識符數(shù)據(jù)字增長不采用標(biāo)識符數(shù)據(jù)（少）指令（多）采用標(biāo)識符指令字縮短通常有面積B面積A數(shù)據(jù)描述符 101各種標(biāo)識符長度

6、地址000數(shù)據(jù)描述符 數(shù)據(jù)目的：描述復(fù)雜和多維的結(jié)構(gòu)類型。數(shù)據(jù)描述符n實(shí)現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的索引比變址方法實(shí)現(xiàn)的好，而且能檢查程序設(shè)計中陣列越界錯誤。 n為向量、數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提供一定的支持，有利于簡化編譯中的代碼生成。n工作過程：如下圖描述符的工作過程101000000101101101XY操作碼指令描述符描述符地址生成邏輯（數(shù)據(jù)）（數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊主存儲器1013101410141014000a11000a12000a13000a14000a21000a22000a23000a24000a31000a32000a33000a343433323124232221141312114*3aaaaa

7、aaaaaaaA二維陣列數(shù)據(jù)描述符與帶標(biāo)識符的區(qū)別 n標(biāo)識符是和每一個數(shù)據(jù)相連的，合存在一個存儲單元中，描述單個數(shù)據(jù)的類型特征。 n描述符是和數(shù)據(jù)分開存放的，專門用來描述所要訪問的數(shù)據(jù)是整塊數(shù)據(jù)還是單塊數(shù)據(jù)，訪問該數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)元素需要的地址以及其他特征信息等。 向量數(shù)組數(shù)據(jù)表示 舉例：計算 i=10、11.1000C語言：for (i=10; i20044Ra取A,Ra(A)-Ra存Ra,B(Ra)-B取A+1,Rb(A+1)-Rb取A+1,Ra(A+1)-Ra存Ra,B(Ra)-B存Ra,B+1(Ra)-B+1存Rb,B+1(Rb)-B+1優(yōu)化編譯技術(shù)指令流調(diào)整RISC技術(shù)的發(fā)展 n采用RI

8、SC后的好處n簡化指令系統(tǒng)設(shè)計n提高機(jī)器的執(zhí)行速度和效率n降低設(shè)計成本，提高系統(tǒng)可靠性n提供直接支持高級語言的能力，簡化編譯程序的設(shè)計 nRISC的不足 n指令少，加重匯編程序員的負(fù)擔(dān) n浮點(diǎn)運(yùn)算和虛擬存儲器支持不足 n編譯程序難寫 練習(xí)題某處理機(jī)的9條指令的使用頻度分別為：ADD: 0.43，SUB: 0.13，JMP: 0.07，JOM: 0.06，STO: 0.05，SHR: 0.01，CIL: 0.02，CLA: 0.22，STP: 0.01；分別設(shè)計這9條指令操作碼的Huffman編碼、3/3/3擴(kuò)展編碼和2/7擴(kuò)展編碼，并計算這3種編碼的平均碼長。 （2.42，2.52，2.70）練習(xí)題用一臺40MHz的處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的時鐘周期數(shù)如下：求有效CPI、MIPS和