[农学]计算机体系结构 李学干 第二章课件

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1、第二章数据表示与指令系统内容提要数据表示寻址方式指令系统的设计和改进数据数据：数据是描述客观事物的一些相互无关的符号。数据元素：是数据的基本单位。数据类型：除了是一组值的集合外，还定义了可作用于这个集合上的操作集。目的：防止不同类型数据间的误操作分类：基本数据类型、结构数据类型1、基本数据类型基本数据类型包括:二进制位及其位串整数及自然数(正整数)实数(浮点数)字符布尔数由一组相互有关的数据元素组合而成的数据类型。常用的结构数据类型有:向量数组字符串堆栈队列记录2、结构数据类型2.1.1数据表示与数据结构1、数据表示数据表示是指可由硬件直接识

2、别和引用的数据类型.由硬件实现的数据类型。数据类型包含了数据取值集和可作用其上的操作集，所以，相应的指令及处理部件是识别这些数据类型所必需的。即：对该数据类型的各种运算操作都有相应的实现硬件电路2、数据结构数据结构是指结构数据类型的组织方式.它反映了在应用中所用到的各种数据元素或信息单元间的结构关系。除了数据表示之外的所有数据类型，一般都是数据结构要研究的内容。是由软件实现的数据类型。数据表示和数据结构都是数据类型的子集。硬件不能直接辨认与处理的数据类型就要根据数据结构的知识编制软件转化为硬件能处理的数据类型2、数据结构数据结构研究的一个主要课

3、题是:1)如何用最少的存储空间来存储这些数据结构；2)采用什么样的算法能最快、最简单地存储和访问这些数据结构.数据表示要考虑的是正确、可靠、便于机器处理和节省存储空间。数据表示实质上是软、硬件的主要分界面之一。确定数据表示的实质是一个有关软硬件的取舍问题。计算机系统结构首先要研究的一个内容是：在所有数据类型中，哪些用硬件实现，哪些用软件实现，并研究它们的实现方法。3、数据结构与数据表示（1）关于基本数据表示的讨论数的进制选择例：“二进制表示”和“二-十进制表示”的权衡；二进制表示在运算速度、信息存储空间方面有优势但二进制转换为十进制费时，而且有

4、误差。二-十进制（BCD码）表示所需的存储空间大。事务处理的出现，需要大量的十进制数，增加了十进制运算指令和相应的运算硬件。字长的确定例：定点数和浮点数表示的字长的权衡过短：表示范围小，表示精度低，容易造成运算溢出和机器零。过长：主存空间开销大定长表示和某些语言的语义不一致如COBOL语言提供了可变长数据结构；有力支持了串数据结构的实现。为把可变长数据映象为定长数据表示，将增加编译的复杂性和编译时间。折中的办法：多种定长数据表示，按位编址（1）关于基本数据表示的讨论（2）数据表示的设计原则如何确定数据表示是计算机系统结构设计人员要解决的难题之一

5、。确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则:1)缩短程序的运行时间，2)减少CPU与主存储器之间的通信量3)考虑这种数据表示的通用性和利用率。堆栈机：对栈数据结构高效，但矩阵运算效率却很低。树型结构机器：对树数据结构的实现高效，但堆栈、向量、链表等结构的实现低效。（2）数据表示的设计原则例1如果用定点数据表示实现浮点运算，处理机的运算速度要降低两个数量级。如果用一台定点运算速度为每秒1千万次的计算机做科学计算，它的实际运算速度将低于每秒十万次。用定点运算指令来实现32位的浮点运算时，平均要执行100条以上的指令。CPU与主存储器之间的通信量也将增

6、加100多倍。例2实现A＝A+B，A和B均为200200的矩阵。如果在没有向量数据表示的计算机系统上实现，编译为IBM370机器的目标代码有6条指令，其中4条指令要执行4*104次。因此，CPU与主存储器之间的通信量为：取指令：2+440000条，读或写数据：340000个，共访问主存储器740000次以上。例2实现A＝A+B，A和B均为200200的矩阵。如果在有向量数据表示的计算机系统上实现，只需要一条指令。从而减少了CPU与主存储器之间的通信量：少取指令440000次，程序执行时间缩短了一半以上。因此，在设计计算机系统时，对于

7、数据类型，系统结构设计者要做的是：确定哪些数据类型全部用硬件实现，即数据表示；哪些数据类型用软件实现，即数据结构；哪些数据类型可由硬件给予适当支持,即由软件和硬件共同实现,并确定软件与硬件的适当比例关系.2.1.2高级数据表示传统的冯·诺依曼计算机中，指令本身指明了操作数据类型.例如对于加法指令，在IBM370中就要分成定点加、浮点加、十进制加等15种加法指令。高级语言中，同一种运算操作，只采用一个操作符.如A=A+BrealA,B;A=A+B;intA,B;A=A+B;floatA,B;A=A+B;自定义数据表示带标志符的数据表示数据描述符向

8、量数据表示堆栈数据表示1、带标志符的数据表示数据字的格式类型标志数据值这种表示要求对每一个数据都附加类型标志B-5000设置了1位标志，用来区分数据字