一、指令集架构

1、数据来源

• 累加器、堆栈、寄存器和存储单元

2、指令集架构的三种类型

• 面向累加器结构：累加器是唯一的暂存器
• 面向堆栈结构
• 面向寄存器结构：也称为面向通用寄存器架构(GPR)，所有操作数均需命名，且显式表示
  • 寄存器-寄存器（RR结构）
  • 寄存器-存储器（RM结构）

3、指令指定操作数方式

• 显式: 用指令字中的操作数字段给出
• 隐式: 使用事先约定好的存储单元

二、寻址方式

1、寻址方式

• 处理器根据指令中给出的地址信息来寻找有效地址的方式，包括指令的寻址和指令中数据的寻址
  • 指令寻址：顺序+非顺序
  • 数据寻址：根据数据的来源采取不同的寻址方式

2、数据存放顺序

• 大端位序：高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端
• 小端位序：低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端

3、数据存放位置——对齐

• 字节编址，按字访问

• 从任意位置开始存贮和访问——不同长度的字节数据可存放在任何位置

  • 优点：不浪费存贮空间；
  • 缺点：访问一个变量或存贮单位可能要花2个存贮周期，因为有可能跨越2个存贮单元

• 从地址的整倍数位置开始访问(对齐)

  • 双字（8个字节）-地址末3位为000: 0 开始的地址数
  • 单字（4个字节）-地址末2位为00： 0，4 开始的地址数
  • 半字（2个字节）-地址末位为0： 0，2，4，6 开始的地址数

4、地址组织方式

• 独立编址：通用寄存器、主存储器和输入输出设备均独立编址
• 混合编址：所有存储设备统一编址

5、寻址方式

• 立即数寻址方式

  • 用于数据比较短且为源操作数

• 面向寄存器的寻址方式
  OPC R
  OPC R,R
  OPC R,R,R
  OPC R,M

• 面向主存储器的寻址方式
  OPC M
  OPC M,M
  OPC M,M,M

• 面向堆栈的寻址方式：
  OPC
  OPC M

三、定位方式

1、程序的三种地址

• 符号地址：用符号表示的地址，类似于高级语言中的变量
• 逻辑地址：指令中给出的地址
• 物理地址：内存的实际地址

2、程序定位

• 把指令和数据中的逻辑地址（相对地址）转换成主存储器的物理地址（绝对地址）的过程。

3、程序定位方式

• 直接定位方式：编写程序时，或编译时，就已经知道该程序应该占用的主存物理空间

• 静态定位方式

  • 前提条件：要求程序本身是可以重定位的

  • 程序在运行之前，在装入主存储器的过程中集中一次完成地址变换

• 动态定位方式

  • 在程序执行寻址时进行重定位，访问地址时，通过地址变换机构改变为内存地址，用户程序原封不动的装入内存，运行时再完成地址的定位工作

  • 动态重定位需要硬件的支持

  • 常用方法：基址寻址、页式、段式、段页式管理

四、数据表示

1、数据类型>数据结构>数据表示

• 数据类型：指一组数据值的集合，还定义了可作用于这个集合上的操作集
• 数据表示：用硬件实现的数据类型
• 其他：用数据结构实现。

2、整数表示

• 原码、反码、补码
• 移码：补码符号位取反，或，补码+偏移量bias
• BCD码：每四位二进制数表示一位十进制数

3、定点数表示

• 小数点固定地位于实数所有数字中间的某个位置。

4、浮点数表示

4-1 浮点数的格式

• 符号S\(~~~~\)阶码(指数)E \(~~~~\)尾数(有效数字位)1.M

• 符号S：$~~$1为负数，0为正数
• 尾数1.M: \(~~\)用原码，规格化原码尾数的最高位恒为1，该1在尾数中不表示出来，计算式在前面自动加1
• 阶码E：\(~~\)是2的幂，用移码表示（+偏移量）
• 为了处理负指数的情况，实际的阶码E按要求需要加上一个偏置（Bias）值。单精度是 127，双精度是 1023。产生指数的取值范围是：单精度为 -126～+127，双精度为 -1022 ～ +1023。
  
  
• 单精度: 32位=1 + 8 + 23
• 双精度: 64位=1 + 11 + 52

4-2 规格化浮点数实例

• 实数 -9.625，二进制1001.101，用规范的浮点数表达应为 1.001101×23

• 9.625 是负数，符号段为 1。指数为 3，所以指数段为 3+127=130，即二进制的 10000010。有效数字省略掉小数点左侧的 1 之后为 001101，然后在右侧用零补齐。因此所得的最终结果为

4-3 非规格化浮点数

• 当指数段 E 全为 0 时，所表示的数就是非规格化形式。在这种情况下有效数字的值 不包含隐含的开头的1，即（.M）

• 非规格化值有两个用途：
  • 提供了一种表示数值 0 的方法
  • 表示那些非常接近于 0.0 的数。此方案被称为逐渐下溢

5、舍入规则

• 向偶数舍入：两个相同接近的首选偶数
  • Round(1.4)=1
  • Round(1.5)=2
  • Round(0.5)=0
• 向上舍入（向正无穷舍入）
  • ceil(1.324)=2
• 向下舍入（向负无穷舍入）
  • floor（1.324）=1
  • floor(-1.324)=-2
• 向0舍入：截断
  
  

例题

• 向偶数舍入，保留两位

• 二进制(b)中，末位为0，为偶数，末位为1，为奇数

• 1、b(10.00011)=b(10.00)

• 2、b(10.00100)=b(10.00)

• 3、b(10.01100)=b(10.10)

小数部分后三位，范围在000~111，中间值为100(4)，而题目为011，所以向近的舍入，011离000近，所以变成b(10.00000)，保留两位，即b(10.00) 
小数部分后三位，100，为中间值，向偶数舍入，向偶数舍入，而小数点第2位为0，是偶数，所以保持不变。
小数部分后三位，100，为中间值，在b(10.01)和b(10.10)中间，而小数部分前两位为01，奇数，所以向偶数靠近，选b(10.10)

6、向量数据表示

• 向量：指具有n个数据的数组，所有数据的性质相同
• 向量数据通常用基地址，长度和位移量三个参量表示，其中对于指令，操作向量的起始地址=基址+位移量，操作向量有效长度=向量长度-位移量

• 其中X，Y，Z各区段表示寄存器号，分别表示源向量A，B和结果向量的位移量，而A，B，C各区段分别存放源向量A，B和结果向量C的基地址及长度。

7、堆栈表示

8、阵列数据表示

五、指令系统设计原理和优化

1、指令格式 操作码 操作数

2、指令系统的优化——指令码的优化、地址码的优化

3、操作码优化

• 操作码的信息源熵：信息源所包含的平均最短信息量

\[H=-ΣP_i ·log_2P_i \]

其中\(P_i\)是第i个信息源的使用频度。

• 信息冗余量

\[k=1- \frac{H}{操作码实际平均长度} \]

3-1、等长编码

• 根据指令的条数确定编码的长度，每种指令的编码长度一样。

例

• 现设一台模型机，共有7种不同的指令，使用频度如表所示。

• 信息源熵：0.401.32+0.301.74+0.152.74+0.054.32+0.044.64+0.035.06+0.03*5.06=2.17
• 信息冗余量：1-2.17/3=0.28

3-2、哈夫曼编码

• 利用哈夫曼压缩思想对操作码进行编码

• 方法：使用频度从小到大排序；编号：左1右0
• 平均码长$=\sum P_iI_i= $ 0.401+0.302+0.153+0.055+0.045+0.035+0.03*5=2.20(位)
• 冗余度 K=1-2.17/2.20≈1.36%
• 哈夫曼编码
  • 最优的变长码
  • 码长变化大，不利于实现

3-3、扩展编码

• 限定几种码长，频度高的码点用短码表示，反之用长码表示。
• 码长表示法，用短横线前后的数字表示短码和长码的码长；
  • 如4-8-12，表示编码的长度有三种分别是4位，8位，12位。
• 码点表示法，用斜线前后的数字表示短码码点的和长码码点的个数，
  • 如15/15/15，表示有三种码长，各种码长的码点个数都是15位

• 例：已知频度序列为0.1，0.1，0.15，0.15，0.2，0.3，求Huffman编码、等长扩展3/3/3码、定长编码三者的平均码长、信息冗余量。

3-4、最优编码

• 短码都不能是长码的前缀

3-5、练习：

• 经统计，某机器14条指令的使用频度分别为：0.01, 0.15, 0.12, 0.03, 0.02, 0.04, 0.02, 0.04, 0.01, 0.13, 0.15, 0.14, 0.11, 0.03,请写出平均码长最短的扩展编码

4、地址码的优化

• 用一个较短的地址码表示一个比较大的逻辑地址空间

• 采用基址、变址、相对、等多种寻址方式，以缩短地址码的长度

六、指令集的发展和改进

1、一种指令集结构中的指令要支持哪些类型的操作？—— 两种截然不同的方向：

• CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机）
• RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机）

2、CISC

• 冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构
• CISC代表：Intel X86

3、RISC

• 也称哈佛结构
• RISC代表：IBM power架构；ARM架构
  
  
• 目前，x86处理器占据了超过90%的个人电脑市场，以ARM为代表的RISC产品则同样占据了超过90%的移动计算市场。

4、RISC主要特征

• 只使用频度高的指令，减少指令种类
• 扩大通用寄存器数目，面向寄存器的寻址方式，采用LOAD-STORE架构
• 分开的存取指令数据，引入多级Cache
• 充分提高流水线效率（用各种技术减少相关阻塞）
• 采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）
• 采用优化编译技术，很好支持高级语言

5、RISC的关键技术

• 重叠寄存器窗口技术
• 延迟转移技术

  • 在RISC处理机中，指令一般采用流水线方式工作。取指令和执行指令并行进行。然而，在遇到转移指令时，流水线就可能断流。

  • 增加空指令、交换

• 优化编译技术
  • 为了使RISC处理机中的指令流水线高效率地工作，尽量不断流。优化编译器必须分析程序的数据流和控制流，当发现指令流有断流可能时，要调整指令序列。
    
    
• 采用硬联控制与微程序固件相结合的技术

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