计算机系统结构第2章ppt课件.ppt

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1、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2.5RISC指令系统2.6VLIW指令系统第2章指令系统在机器上直接运行的程序是由指令组成的。指令系统是软件与硬件之间的一个主要分界面，也是他们之间互相沟通的一座桥梁。硬件设计人员采用各种手段实现指令系统，而软件设计人员则使用这些指令系统编制系统软件和应用软件，用这些软件来填补指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。指令系统设计必须由软件设计人员和硬件设计人员共同来完成。指令系统发展相当缓慢，需要用软件来填补的东西也就

2、越来越多。本章主要内容有三大方面：数据表示寻址技术指令系统设计有三种类型的指令系统：CISC：复杂指令系统RISC：精简指令系统VLIW：超长指令字指令系统设计：指令的格式设计指令系统的功能设计指令系统的性能评价2.1数据表示2.1.1数据表示与数据类型2.1.2浮点数的表示方法2.1.3浮点数格式设计2.1.4浮点数的舍入处理2.1.5警戒位的设置方法2.1.6自定义数据表示2.1.1数据表示与数据类型数据表示的定义：数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。例如：

3、定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题确定数据表示的原则一是缩短程序的运行时间二是减少CPU与主存储器之间的通信量三是这种数据表示的通用性和利用率数据表示在不断发展例如：矩阵、树、图、表及自定义数据表示等已经开始用于数据表示中例：计算C＝A＋B，其中，A、B、C均为200×200的矩阵。分析采用向量数据表示的作用。解：如果在没有向量数据表示的计算机

4、上实现，一般需要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：取指令：2＋4×40,000条，读或写数据：3×40,000个，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。减少访问主存（取指令）次数4×40,000次用软件和硬件结合的方法实现新的数据表示用字节编址支持字符串数据表示用变址寻址方式来支持向量数据表示1.浮点数的表示方式两个数值：尾数m：数制(小数或整数)和码制(原码或补码)阶码e：整数,移码(偏码、增码、余码)或补码两个基值：尾

5、数基值rm：2、4、8、16和10进制等阶码基值re：通常为2进制2.1.2浮点数的表示方法两个字长：长度和物理位置，均不包括符号位尾数长度p：尾数部分按基值计算的长度阶码长度q：阶码部分的二进制位数2.浮点数的表数范围尾数为原码、小数，阶码用移码、整数时，规格化浮点数N的表数范围：尾数为补码，负数区间的表数范围为：浮点数在数轴上的分布情况3.IEEE754浮点数国际标准32位单精度浮点数格式如下：阶码用移-127码表示，即阶码的0～255分别表示阶码的真值为-127～128。尾数用原码、小数，1位

6、符号位、23位小数和1位隐藏的整数共25位表示。尾数和阶码的基值都是2。64位双精度浮点数，阶码用11位移码表示4.浮点数的表数精度（误差）产生误差的根本原因是浮点数的不连续性误差产生的直接原因有两个：(1)两个浮点数都在浮点集内，而运算结果却可能不在这个浮点集内(2)数据从十进制转化为2、4、8、16进制，产生误差。规格化浮点数的精度为：最后1个有效位的可信度为一半当rm＝2时，有：5.浮点数的表数效率浮点数是一种冗余数制(RedundatNumberSystem)浮点数的表数效率定义为：简化表示

7、：当尾数基值为2时，浮点数的表数效率为：浮点数的表数效率随rm增大当尾数基值rm＝16时，浮点数的表数效率为：尾数基值rm＝16与rm＝2相比，浮点数的表数效率提高了：2.1.3浮点数格式设计1.浮点数格式设计的主要问题在表示浮点数的6个参数中，只有尾数基值rm、尾数长度p和阶码长度q与表数范围、表数精度和表数效率有关在字长确定的情况下，如何选择尾数基值rm，使表数范围最大、表数精度和表数效率最高2.浮点数格式设计原则定义浮点数格式的6个参数，确定原则如下：尾数：多数机器用原码、小数表示采用原码表示

8、：加减法比补码表示复杂，乘除法比补码简单，而且非常直观。采用小数表示能简化运算，特别是乘法和除法运算。阶码：一般机器用整数、移码表示采用移码表示的主要原因是：浮点0与机器0一致。阶码进行加减运算时，移码的加减法运算要比补码复杂基值：尾数的基值rm＝2，阶码的基值re＝2，采用隐藏位表示方式能够使规格化浮点数的表数效率达到100％（当rm＝2时）浮点数格式设计的关键问题是：在表数范围和表数精度给定的情况下，如何确定最短的尾数字长p和阶码字长q，并根据总字长的要求，恰当分