【CSA】 CH2 Instruction Systems 指令系统

本文主要是介绍【CSA】 CH2 Instruction Systems 指令系统，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

CH2 Instruction Systems

指令系统

三种类型指令系统，CISC，RISC，VLIW：超长指令字

指令系统的设计：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

数据表示

确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则
• 缩短程序的运行时间
• 减少CPU与主存储器之间的通信量
• 这种数据表示的通用性和利用率

高级数据表示

自定义数据表示

数据的属性通过指令中的操作码来解释，高级语言适用类型说明语句指定数据类型，运算符不反应数据类型，高级语言和机器语言之间的语义差距需要依靠编译器弥补

为了缩短高级语言和机器语言的语义差距，可以让机器中的每个数据都加上类型标识符 也就是类似于描述符

[例题] 假设X处理机的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位；Y处理机的数据带标志符，数据字长增加至35位，其中3位是标志符，其指令字长由32位减少至30位。并假设一条指令平均访问两个操作数，每个操作数平均被访问R次。分别计算这两种不同类型的处理机中程序所占用的存储空间。

[解答] X和Y处理机程序占用的存储空间总和分别为

		32I是指令占用的空间、2*32 / R 操作数空间？$B_x = 32I + 2*32 / R,B_y = 30I + 2*35I / R$比值：$B_y / B_x = \frac{15R+35}{16R+32}$当𝑅 > 3时，有By / Bx <1;而实际应用中经常是𝑅 > 10。所以，标志符的处理机所占用的存储空间通常要小。

标识符数据表示方法的[优点]：

简化了指令系统。
由硬件实现一致性检查和数据类型转换。
简化程序设计，缩小了人与计算机之间的语义差距。
简化编译器，使高级语言与机器语言之间的语义差距大大缩短。
支持数据库系统，一个软件不加修改就可适用于多种数据类型。
方便软件调试，在每个数据中都有陷井位。

[缺点]：

数据和指令长度可能不一致：可以通过精心设计指令系统来解决
指令[执行速度]降低，但是采用标志符设计，程序的设计编译调试实践都会降低
硬件复杂度增加

数据描述符：对向量、数据、记录等数据，由于元素属性相同，采用数据描述符

数据描述符与标志符的区别：标志符只作用于一个数据，而数据描述符要作用于一组数据。
向量、数组数据表示

增设数组数据表示，组成向量机

对于向量A，需要指明基地址、位移量、向量长度、元素步距

向量有效长度的起点：基地址+位移量
堆栈数据表示

堆栈数据结构在编译和子程序调用中很有用

堆栈机器的特点：1）有高速寄存器组成的硬件堆栈；2）丰富的堆栈操作指令，功能强大；3）支持高级语言编译；4）支持子程序的嵌套和递归调用
原则：看系统效率是否提高：时间和存储空间是否减少

通用性和利用率是否提高
浮点数表示

数符阶符阶码数值小数点尾数
1bit 1bit p位 . m位

最小尾数：1 * $r_m^{-1}$

最大尾数： $全111最大1 - r_m^{-m'}$

数符	阶符	阶码数值	小数点	尾数
1bit	1bit	p位	.	m位

寻址技术

编址方式

一般：字节编址，字访问
部分机器：位编址，字访问
辅助存储器：块编址，位访问

字节编址 字访问的问题：

谈字节编址字访问的地址信息浪费问题_TalesOV的博客-CSDN博客

关于地址的浪费：

字编址32位去访问，地址的最低两位都是00.如果32位机器按照半字（两个字节）寻址，那么最后一个二进制位会是0

与访问的最小单位有关系

双字地址最末三个二进制位必须为000，单字地址最末两位必须为00，半字地址最末一位必须为0

大端小端问题

0x123456

大端：数据从高字节向低字节排列(从左往右 0x123456)

小端：数据从低字节向高字节排列(0x654321)

零地址空间个数(不懂)

•三个零地址空间：通用寄存器、主存储器、输入输出设备独立编址
• 两个零地址空间：主存储器与输入输出设备统一编址
• 一个零地址空间：最低端是通用寄存器，最高端是输入输出设备，
中间为主存储器
• 隐含编址方式：堆栈、Cache等

一个零地址空间，即所有存储设备统一编址，地址低端是通用寄存器，最高端是I/O设备，中间绝大多数给主存。

并行存储器的编址技术
• 高位交叉编址：主要用来扩大存储器容量。
• 低位交叉编址：主要是提高存储器速度。

模m低位交叉编址：

寻址规则
• 体地址𝑗＝𝐴 𝑚𝑜𝑑 𝑚
• 体内地址𝑖 = 𝐴/𝑚

适合于单处理机内的数据存取和带Cache的主存

同样还有模M高位交叉编址

适合于共享存储器的多机系统，适用于指令和数据分别存于不同分体中

输入输出设备的编址

一台设备一个地址：仅对输入输出设备本身进行编址，需要通过指
令中的操作码来识别该输入输出设备接口上的有关寄存器
Ø 一台设备两个地址：数据寄存器、状态或控制寄存器。
Ø 多个编址寄存器共用同一个地址的方法：
• 依靠地址内部来区分，适用于被编址的寄存器的长度比较短
• “下跟法”隐含编址方式，必须按顺序读写寄存器。
Ø 一台设备多个地址：增加编程的困难

寻址方式

立即数寻址
面向寄存器寻址
面向主存储器寻址
- 直接寻址
- 间接寻址
- 变址寻址
面向堆栈寻址

定位方式主要研究程序的主存物理地址在什么时间确定，采用什
么方式来实现

地址转化

程序需要定位的主要原因：
• 程序的独立性
• 程序的模块化设计
• 数据结构在程序运行过程中，其大小往往是变化的
• 有些程序本身很大，大于分配给它的主存物理空间

定位方式

Ø 直接定位方式：在程序装入主存储器之前，程序中的指令和数据的主存物理就已经确定了的称为直接定位方式。
Ø 静态定位：在程序装入主存储器的过程中随即进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为静态定位方式。
Ø 动态定位：在程序执行过程中，当访问到相应的指令或数据时才进行地址变换，确定指令和数据的主存物理地址的称为动态定位方式。

动态定位需要：增加相应的基址寄存器和地址加法器硬件，在程序不做变换直接装入主存的同时，将装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中

程序执行时，通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器内的程序基址，形成有效的物理地址

可在指令中加入相应的标志位来指明指令地址是否需要加基址

指令系统的优化设计

主要目标：节省程序的存储空间，指令格式尽量规整，便于译码

操作码的优化表示

操作码的三种编码方法：固定长度、Huffman编码、扩展编码

优化操作码编码的目的：节省程序存储空间

Huffman编码

概率高的用最短的位数来处理

操作码的平均长度公式： $-\sum pi*log_2p^i,pi是第i种操作码出现的概率$

固定长编码相对于最优Huffman编码的信息冗余量： $1-\frac{-\sum pi*log_2p_i}{log_2n} 分母需要向上取整$

最短平均长度 $H_{opt} 是一个理想值$

然后算信息冗余量R = 1 - Hopt / H实际就是冗余量

huffman缺点：

操作码长度很不规整，硬件译码困难
与地址码共同组成固定长的指令比较困难

扩展编码法

操作码长度不是定长，但是只有 有限几种码长

4-8-12等长扩展编码法：

一个是从每次15个一个是 8/64/512

RISC CISC

按CISC方向：增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令，取代
原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化
按RISC方向：通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计的复
杂度，提高指令执行速度

RISC 定义以及特点

减少指令和寻址方式种类：指令系统只选择高频指令，减少指令数量，一般不超
过100条；减少寻址方式，一般不超过两种
固定指令格式：精减指令格式限制在两种以内，并使全部指令都在相同的长度
大多数指令在单周期内完成：让所有指令都在一个周期内完成
采用LOAD/STORE结构：扩大通用寄存器数量（一般不少于32个），尽量减少访存，
所有指令只有存（STORE）/取（LOAD）指令可以访存，其他指令只对寄存器操作
硬布线逻辑：大多数指令采用硬联逻辑，少数指令采用微程序实现，提高指令执
行速度
优化编译：通过精减指令和优化设计编译程序，简单有效地支持高级语言实现