《计算机系统结构》课程教学资源（PPT课件讲稿）第四章 数据表示和指令系统

第四章数据表示和指令系统 ■数据类型和表示 指令系统设计原理和优化 ■RISC计算机

第四章 数据表示和指令系统 ◼ 数据类型和表示 ◼ 指令系统设计原理和优化 ◼ RISC计算机

本章要点 ◆浮点数据表示IEEE标准及应用 ◆自定义数据表示定义、分类及优点 ◆哈夫曼概念及在计算机中应用,操作码 编码法 ◆指令系统编码方法,指令系统设计原贝 ◆两种指令系统风格,特点(RISC CISC) ◆简述RSC的主要技术

本章要点 ⧫浮点数据表示IEEE标准及应用 ⧫自定义数据表示定义、分类及优点 ⧫哈夫曼概念及在计算机中应用，操作码 编码法 ⧫指令系统编码方法，指令系统设计原则 ⧫两种指令系统风格，特点（RISC、 CISC） ⧫简述RISC的主要技术

41引言 系统:又称指令集( instruction set)是计算机体系结构 设计的核心,是计算机软、硬件接口,是用机器语言汇编语言 编写程序的用户所能看到的计算机基本属性。 4.1.1传统计算机指令系统的设计技术 (1)考虑计算机面向的应用领域,程序设计语言,编译程 序,操作系统直到硬件构成等诸多因素。 (2)如何继承软件资产,保证软件向后兼容和向上兼容也 是要加以考虑的现实问题。 总之要对执行性能,软、硬件开发费用,可靠性等各种因 素间的矛盾,综合权衡考虑。设计一种新的指令系统,从提出 指令系统的编码到实现这种指令系统的硬件要经过几次反复

4.1 引言 （1）考虑计算机面向的应用领域，程序设计语言，编译程 序，操作系统直到硬件构成等诸多因素。 （2）如何继承软件资产，保证软件向后兼容和向上兼容也 是要加以考虑的现实问题。 指令系统：又称指令集（instruction set）是计算机体系结构 设计的核心，是计算机软、硬件接口,是用机器语言汇编语言 编写程序的用户所能看到的计算机基本属性。 4．1．1 传统计算机指令系统的设计技术 总之要对执行性能，软、硬件开发费用，可靠性等各种因 素间的矛盾，综合权衡考虑。设计一种新的指令系统，从提出 指令系统的编码到实现这种指令系统的硬件要经过几次反复

计算机指令系统的设计技术基本过程: 1)根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指 令系统设计及实现, (2)编出这套指令系统设计的编译程序, (3)进行模拟测试,研究这套指令操作码,寻址方式及 其他效能, (4)进行指令系统的优化 (5)如此反复进行,要充分考虑计算机应用和对各类高 级语言执行效率,并对大量算法进行测试,使机器效能最高。 现代计算机指令系统设计必须由编译程序设计人员同系 统结构设计人员共同配合进行传统计算机指令系统的设计

（1）根据计算机未来用途及通常机器指令集拟出初步指 令系统设计及实现， （2）编出这套指令系统设计的编译程序， （3）进行模拟测试，研究这套指令操作码，寻址方式及 其他效能， （4）进行指令系统的优化。 （5）如此反复进行，要充分考虑计算机应用和对各类高 级语言执行效率，并对大量算法进行测试，使机器效能最高。 计算机指令系统的设计技术基本过程： 现代计算机指令系统设计必须由编译程序设计人员同系 统结构设计人员共同配合进行传统计算机指令系统的设计

指令系统设计规则 完备性:要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统 中,指令系统愈丰富,功能愈强,编译程序愈好写好用, 运用范围愈广。 规整性,均匀性:要使相似的操作具有相同的规定,所 有操作都均匀对称地在存储器和寄存器单元间进行,尽可 能甚至不出现例外情况和特殊用法 正交性:编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、 操作类型都互相独立,这样便于处理,也减轻编译负担。 可组合性对称性:指令系统对所有的寻址方式和 所有数据类型都能适用,减化编译程序的代码生成

✓完备性：要求计算机的所有功能操作都包含在指令系统 中，指令系统愈丰富，功能愈强，编译程序愈好写好用， 运用范围愈广。 指令系统设计规则： ✓规整性，均匀性：要使相似的操作具有相同的规定，所 有操作都均匀对称地在存储器和寄存器单元间进行，尽可 能甚至不出现例外情况和特殊用法。 ✓正交性：编译程序设计人员希望数据类型、寻址方式、 操作类型都互相独立，这样便于处理，也减轻编译负担。 ✓可组合性对称性：指令系统对所有的寻址方式和 所有数据类型都能适用，减化编译程序的代码生成

从系统结构设计人员角度出发,指令系统还应考虑到: 兼容性:指令系统设计多次反复,注意简单周到,还 应注意系列机中软件兼容性 可扩性:保留一定余量的操作码空间,为以后扩展用, 并适应工艺技术的新发展。 指令码高密度性:对于那些频度高的指令串可以进行 优化,设计新指令代替,提高指令码密度,减少存储容 量和访问存储器次数,以提高效率

从系统结构设计人员角度出发，指令系统还应考虑到： ✓兼容性：指令系统设计多次反复，注意简单周到，还 应注意系列机中软件兼容性． ✓可扩性：保留一定余量的操作码空间，为以后扩展用， 并适应工艺技术的新发展。 ✓指令码高密度性：对于那些频度高的指令串可以进行 优化，设计新指令代替，提高指令码密度，减少存储容 量和访问存储器次数，以提高效率

412指令系统发展的两种途径CISC,RISC ()复杂指令集计算机(CISC 指令系统庞大硬件复杂、庞大—执行速度低 编译程序复杂、长 部分指令使用效率低 (二)精简指令系统计算机(RISC) 通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计 的复杂程度,提高指令执行速度,使指令简单,有效可行。 PENTIUM处理器 RISC特征:某些指令以硬连线来实现,并能在一个时钟 周期执行完; CISC特征:用微代码实现,需要2-3个时钟周期的执行时 间,有多种寻址方式,多种指令长度,为数不多的通用寄 存器

4.1.2 指令系统发展的两种途径CISC,RISC (一)复杂指令集计算机（CISC） (二)精简指令系统计算机（RISC） 通过减少指令总数和简化指令的功能来降低硬件设计 的复杂程度，提高指令执行速度，使指令简单，有效可行。 指令系统庞大 硬件复杂、庞大 执行速度低 编译程序复杂、长 部分指令使用效率低 PENTIUM处理器： RISC特征：某些指令以硬连线来实现，并能在一个时钟 周期执行完； CISC特征：用微代码实现，需要2-3个时钟周期的执行时 间，有多种寻址方式，多种指令长度，为数不多的通用寄 存器

42数据类型和数据表示 42.1数据类型 计算机中常用数据有三类 用户定义的数据 系统数据 指令数据 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 从系统结构看有基本数据类型,结构数据类型,抽象数据 类型和访问指针。 用户定义 (系统数据类型

4.2 数据类型和数据表示 4.2.1 数据类型 计算机中常用数据有三类： ➢ 用户定义的数据 ➢ 系统数据 ➢ 指令数据 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。 从系统结构看有基本数据类型，结构数据类型，抽象数据 类型和访问指针。 用户定义 系统数据类型

422基本数据表示 数据表示:指在计算机中能由硬件直接辩认,指令 系统可以直接调用的数据类型。 数据结构:结构化数据的组织方式,它反应了 应用中各种数据元或信息元间的结构关系。它必须 通过软件映象,变换成机器中所具有的(存储于 维存储器内)各种数据表示来实现的 数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题

4.2.2 基本数据表示 数据表示：指在计算机中能由硬件直接辩认,指令 系统可以直接调用的数据类型。 数据结构：结构化数据的组织方式，它反应了 应用中各种数据元或信息元间的结构关系。它必须 通过软件映象，变换成机器中所具有的（存储于一 维存储器内）各种数据表示来实现的。 数据表示实质上是一个软、硬件取舍的问题

424二进制定点,浮点,数据表示 EEE754浮点数据表示标准: E S符号位 指数 尾数 32位单精度形式 E S符号位指数 尾数 64位双精度形式

4.2.4 二进制定点，浮点，数据表示 IEEE754 浮点数据表示标准： 1 8 23 S符号位 E M 指数 尾数 32位单精度形式 1 11 52 S 符号位 E M 指数 尾数 64位双精度形式