计算机系统结构第2章指令系统.ppt

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1、1第二章指令系统2第二章指令系统指令系统是硬件和软件之间的接口，它会表明一台计算机具有哪些硬件功能，是硬件逻辑设计的基础；指令系统也需要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。指令系统是计算机系统软硬件功能分配的界面，也是计算机系统结构设计的核心，其功能对计算机系统的性能有直接的影响。3本章内容2.1数据表示2.2寻址技术2.3指令格式的设计与优化2.4CISC与RISC42.1数据表示计算机系统中所处理的数据类型各种各样如：文件、图、表、树、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数和字符等。计算机系统结构要解决的问题是如何在硬件和软件之间合理分配这些

2、数据类型，即：系统所有的这些数据类型，哪些由硬件实现，哪些用软件来实现。5数据表示指的是能由硬件直接识别的数据类型，也就是由指令系统处理的数据类型。例如，PentiumII的数据表示包括：8位、16位和32位带符号和无符号整数，二-十进制数，32位和64位浮点数，串数据。例如，UltraSPARCII的数据表示有：8位、16位、32位和64位带符号和无符号整数，32位、64位和128位浮点数。UltraSPARCII没有提供硬件指令支持二-十进制数和串数据表示，但是它的浮点运算精度可以更高。6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

3、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。由于基本的数据表示在前导课程已有详细阐述，本节主要更深入地讨论浮点数表示涉及到的一些问题，以及自定义数据表示。72.1.1浮点数表示现代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。一.浮点数的表示范围计算机中，典型的浮点数机器字格式如图2-1所示。8上图中，浮点数机器字代码由两部分组成：阶码部分e和尾数部分m。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

4、值。浮点数的值可表示为：其中9浮点数表示需要确定以下6个参数：①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。②尾数的值m尾数m可以采用原码或补码表示，数值可以采用小数或整数表示。10③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。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，尾数长度就是n；当尾数采用十六进制，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/4④阶码的基re：阶码一般采用二进制表示，即阶码的基re=2。

5、⑤阶码的值e：一般采用移码或补码表示，值采用整数表示。⑥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。11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、负两个区间上的部分离散值，如图2-2所示。12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：13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

6、规格化浮点数表示范围为：即14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15上述两个例子表明，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。二．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点数个数是有限

7、的、不连续的。可表示的规格化浮点数的个数为：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。16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尾数的总个数就为。由此推出可表示的规格化浮点数的个数为：可以推出，rm越大，在与rm=2的浮点数相重叠的范围内，