计算机体系结构 第二章 指令系统

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1、作业■2.2计算机系统结构■2.5第二章指令系统■2.14■2.16主讲：吴湘宁■2.19中国地质大学（武汉）计算机学院中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁■指令系统是计算机系统中指令系统的地位软件和硬件分界面的一个第二章指令系统重要标志。■2.1数据表示■2.2寻址技术■2.3指令格式的优化设计■2.4指令系统的功能设计■2.5精简指令系统计算机（RISC）■2.6小结■2.7习题中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁什么是指令系统？什么是指令？■在计算机系统的设计中，由硬件设计人员采■指令的含义:用各种技术实现指令系统，由软件设计人员■一

2、般含义：指明要执行的操作以及操作的对象。使用指令系统来编制各种系统软件和应用软■组成：由操作码和操作数构成。件。用这些软件来填补用硬件实现的指令系■例：统与编程语言之间的语义差距。因此，指令系统：■是机器语言程序设计者看到的机器的主要属性。■是软、硬件的主要界面。■很大程度上决定了计算机系统具有的基本功能。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁1指令如何实现？设计指令系统应关心那些问题？操作码对应于功能部件操作数对应于部件的输入和输出。通常，操作码（动词）放在前面指令功能数据表示操作码优化地址分配地址码个数寻址方法地址码优化中国地质大学（武汉

3、）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁2.1数据表示1)数据类型、数据表示与数据结构■1)数据类型、数据表示、数据结构■数据类型是指计算机系统中可以使用和处理的各种数据的类型，例如，字符、布尔数、整数、实数、串、向量、栈、■2)浮点数据表示链表、队列、阵列、树、表和文件等。■数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别的、可以被指■3)自定义数据表示令系统直接调用的那些数据类型。■常用的、简单的、容易实现■数据结构研究的是面向系统软件、面向应用领域所需处理的各种数据类型，以及这些数据类型之间的逻辑物理关系，并给出相应的算法。■系统结构设计确定数据结构和数据表示的界面

4、，即决定在所有的数据类型中，哪些由硬件实现，哪些用软件实现，并研究它们的实现方法等。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁数据类型、数据表示与数据结构确定数据表示的原则本质上是软硬件取舍的问题■1.这种数据表示能否提高系统效率，主要体现在程序的执行时间是否缩短，目标代码所占存储空间是否减少。■2.这种数据表示应有较高的通用性和利用率。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁2例1例2■如果在计算机中只有定点数据表示，而没有设置浮点数据表示，那么在做浮点运算时要用子程序来实现。用定点运算指令来实现32位的浮点运算

5、时，平均要执行100条以上的指令，CPU与主存之间的通信量也会增加100多倍，因此在以科学计算为主的计算机中，浮点计算的通用性好，利用率高，所以设置浮点数据表示是必需的。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁解确定数据类型■例：实现A＝A＋B，A和B均为200×200的矩阵，分析向量数据表示的作用■设计计算机系统时，对于数据类型，系统■解：如果在没有向量数据表示的计算机系统上实现，一般结构设计者首先要做的是：需要6条指令，其中有4条指令要循环4万次。因此，CPU与主存储器之间的通信量：■确定哪些数据类型全部用硬件实现，即数据表取指令2＋4×4

6、0,000条，示；读或写数据3×40,000个，■哪些数据类型用软件实现，即数据结构；共要访问主存储器7×40,000次以上。■如果有向量数据表示，只需要一条指令。■哪些数据类型可由硬件给予适当的支持，即由减少访问主存（取指令）次数：4×40,000次软件和硬件共同来实现，并确定软件和硬件的缩短程序执行时间一倍以上，而且减少了指令存储空间。适当比例关系。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁原码补码当X为正数时，加符号位“0”。对正数来说，补码与其原码的形式相同；当X为负数时，加符号位“1”。对于负数，补码为其原码的数值部分各位取反然后加1。

7、符号位为“1”。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁3反码移码对正数来说，其反码和原码的形式相同；符号位为“0”。对负数来说，反码为其原码的数值部分各位变反。符号位为“1”。中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁中国地质大学（武汉）计算机学院吴湘宁移码移码是一种2进制记数方法，它的真值等于相同编码的无符号数加上一个指定的偏移2)浮点数据表示量d。例如，同样是2进制编码000000～111111，看作6位无符号数时的取值范围是0～63，而看作6位移-10码的取值范围就是–