计算机系统结构（1月27日）

I1 0

I2 10

I3 110

I4 1110

I5 11110

I6 111110

I7 111111

采用Huffman编码法的操作码平均长度为：

H = 0.451+0.302+0.153+0.054+0.035+0.016+0.01*6 = 1.97位

操作码的最短平均长度为：H = 0.451.152+0.301.737+0.152.737+0.054.322+0.035.059+0.016.644+0.01*6.644 = 1.95 位

采用3位固定长操作码的信息冗余量为： R=1-1.97/3 约= 35%

Huffman编码法的信息冗余量： R= 1-1.95/1.97 约= 1.0%

与3位固定长操作码的信息冗余量35%相比要小得多

3、扩展编码法

Huffman操作码的主要缺点：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：由固定长操作码与Huffman编码法相结合形成

将上例改为1-2-3-5扩展编码法，操作码最短平均长度为：H=0.451+0.302+0.15*3+（0.05+0.03+0.01+0.01）*5 = 2.00

信息冗余量：R=1-1.95/2.00 = 2.5%

例：改为2-4等长扩展编码法，操作码最短平均长度为： H=(0.45+0.30+0.15)*2+(0.05+0.03+0.01+0.01)*4=2.20

2-4等长扩展编码法信息冗余量为：R = 1- 1.95/2.20 = 11.4%

地址码的优化表示

1、地址码个数的选择

地址码个数通常有3个、2个、1个及0个等4种情况，评价指令中地址码个数应该取多少的标准有两个：程序存储容量，包括操作码和地址码；程序执行速度，以程序执行过程中访问主存的信息量为代表

通过一个典型例子来分析：

例如，计算一个典型的算术表达式

x = (a×b+c-d)/(e+f)

用三地址指令编写的程序如下：

MUL X，A，B ；X<-(A)*(B)

ADD X，X，C ；X<-(X)+(C)

SUB X，X，D ；分子的计算结果在中

ADD Y，E，F ；计算分母，存入Y

DIV X，X，Y ；最后结果在X单元中

用普通二地址指令编写的程序：

MOVE X，A ；复制临时变量到X中

MUL X，B ；

ADD X，C ；

SUB X，D ；X中存放分子运算结果

MOVE Y，E ；复制临时变量到Y中

ADD Y，F ；Y中存放分母运算结果

DIV X，Y ；最后结果在X单元中

用多寄存器结构的二地址指令编写程序：

MOVE R1，A ；操作数a取到寄存器R1中

MUL R1，B ；

ADD R1，C ；

SUB R1，D ；R1中存放分子运算结果

MOVE R2，E ；

ADD R2，F ；R2中存放分母运算结果

DIV R1，R2 ；最后结果在R1中

MOVE X，R1 ；最后结果存入X中

关于地址码个数结论：

对于一般商用处理机，采用多寄存器结构的二地址指令是最理想的

如果强调硬件结构简单，并且以连续运算（如求累加和等）为主，宜采用一地址结构

对于以向量、矩阵运算为主的处理机，最好采用三地址结构

RISC处理机采用三地址指令

1、对于解决递归问题为主的处理机，宜采用零地址结构。编程容易，节省程序存储量

缩短地址码长度的方法：用一个短地址码表示一个大地址空间

用间接寻址方式缩短地址码长度，方法：在主存储器的低端开辟一个专门存放间接地址的区域

用变址寻址方式缩短地址码长度：变址寻址方式中的地址偏移量比较短

用寄存器间接寻址方式缩短地址码长度：例如,16个间址寄存器，用4位地址码就能表示很长的逻辑地址空间

指令系统的功能设计

基本指令系统：通用计算机必须有5类基本指令：数据传送类指令、运算类指令、程序控制指令、输入输出指令、处理机控制和调试指令

指令系统的性能：完整性、规整性、高效率和兼容性

指令系统的优化设计：CISC、RISC和VLIW

数据传送类指令：

由如下三个主要因素决定：

1、数据存储设备的种类；2、数据单位：字、字节、位、数据块等；3、采用的寻址方式

例如，考虑数据存储设备的种类：

寄存器->寄存器 寄存器 ->主存储器 寄存器-> 堆栈 主存储器->寄存器 主存储器 ->主存储器 主存储器 ->堆栈 堆栈 ->寄存器 堆栈 ->主存储器

运算类指令：

考虑四个因数的组合：

操作种类：加、减、乘、除、与、或、非、异或、比较、移位、检索、转换、匹配、清除、置位等

数据表示：定点、浮点、逻辑、十进制、字符串、向量等

数据长度：字、双字、半字、字节、位、数据块等

数据存储设备：寄存器、主存储器、堆栈等

以寄存器加法为例，一般设置如下几种：

寄存器-寄存器型的定点单字长加法指令

寄存器-寄存器型的定点双字长加法指令

寄存器-寄存器型的定点半字加法指令

寄存器-寄存器型的字节加法指令

寄存器-寄存器型的浮点单字长加法指令

寄存器-寄存器型的浮点双字长加法指令

寄存器-寄存器型的单字长逻辑加法指令

寄存器-寄存器型的定点向量加法指令

寄存器-寄存器型的浮点向量加法指令

以移位指令为例：

需要组合一下三个因素：

1、移位方向：左移（L）、右移（R）

2、移位种类：算术移位（A）、逻辑移位（L）、循环移位（R）

3、移位长度：单字长（S）、双字长（D）

组合起来共有：322=12种

其中，逻辑左移与算术左移相同

一般机器中要设置10条移位指令

SLAS 单字长算术左移

SRAS 单字长算术右移

SLLS（SRLS） 单字长逻辑左移，单字长逻辑右移

SLRS 单字长循环左移

SRRS 单字长循环右移

SLAD 双字长算术左移

SRAD 双字长算术右移

SLLD（SRLD） 双字长逻辑左移，双字长逻辑右移

SLRD 双字长循环左移

SRRD 双字长循环右移

程序控制指令

有多种转移指令：

无条件转移，条件转移指令

调用与返回指令

循环控制指令

......

转移指令：

零（Z）、正负（N）、进位（C）、溢出（V）及其组合

由条件转移指令之前的指令产生条件码

由条件转移指令本身产生转移条件

多组条件码

条件转移指令举例：

一般条件转移指令：

条件码由转移指令之前的指令产生，对指令流水线的影响小

例如：

BEQ ADR ；等于零转移

BLS ADR ；小于转移

BLEQ ADR ；小于等于转移

BLSU ADR ；不带符号小于转移

BLEQU ADR ；不带符号小于等于转移

BCC ADR ；没有进位转移

BVC ADR ；没有溢出转移

IBM370系列机的转移指令：

条件码占用状态字PWS的34、 35

PWS34 PWS35 条件 对应的屏蔽码

0 0 = 1000

0 1 > 0100

1 0 < 0010

1 1 溢出 0001

主要转移指令有2条：

BC M， ADR； 若屏蔽码M符合，转向ADR

BCR M， R ； 若屏蔽码M符合，转向（R）

举例：

指令 助记符 M

等于转移（零转移） BE（BZ） 1000

低于转移（负转移） BL（BM） 0100

高于转移（正转移） BH（BP） 0010

溢出转移 BO 0001

非等于转移（非零转移） BNE（BNZ） 0111

非高于转移（非正转移） BNH（BNP） 1101

非低于转移（非负转移） BNL（BNM） 1011

无条件转移 B 1111

复合条件转移指令

代替2条指令，首先进行运算，并根据运算的结果决定是否转移

不需要条件码，与高级语言一致

例如：

DNB R ADR ； R <- (R)-1 ,如果R不等于0转移

INB R ADR ； R <- (R)+1 ,如果R不等于0转移

JEQ R1，R2，ADR ； 如果（R1）=（R2）转移

JAD EQ，Rd，Rs，ADR ； Rd <- (Rd) +（Rs） ,如果（Rd）=0转移

循环控制指令

用1条指令完成循环的控制

代替3条指令的功能：运算、比较和转移

例如：JL Rs，Rz，Ri，ADR

Rs中存放循环变量，Rz中存放循环终值，Ri中存放循环的步长

地址个数太多时，可以把其中的1个或几个地址隐含起来，例如，在IBM370系列机中，Ri隐含，循环步长放在与Rz紧相邻的下一个寄存器中

隐含转移指令

应用场合：用于特殊的IF..THEN..结构中，THEN部分只有一条指令

实现方法：把IF条件取反，如果取反后的条件成立则取消下条指令，否则执行下条指令

例子： IF（a < b） THEN b = b+1,

COMP >=, Ra,Rb ; 若（Ra）>=（Rb）则取消

INC Rb

达到的效果：

不需要专门的转移指令，程序执行效率高

程序调用和返回指令

本身可以不带条件，也可以带条件

CALL 转入子程序

RETURN 从子程序返回

CALL CC 当条件CC满足时转入子程序

RETURN CC 当条件CC满足时从子程序返回

中断控制指令：

开中断、关中断

改变屏蔽

中断返回

自陷等

输入输出指令

启动、停止、测试设备、数据输入、输出等

采用单一的直接寻址方式

在多用户或多任务环境下，输入输出指令属于特权指令

处理机控制和调试指令

处理机状态切换指令，处理机有多个状态

硬件和软件的调试指令

硬件调试指令：开关状态读取等

软件调试指令：断点设置、跟踪、自陷指令等

指令系统的性能：

完整性、规整性、高效率和兼容性

1、完整性是指应该具备的基本指令种类：如通用计算机必须有5类基本指令

2、规整性包括对称性和均匀性

对称性：所有的寄存器同等对待，操作码的设置等都要对称，如A-B与B-A

均匀性：不同的数据类型、字长、存储设备、操作种类要设置相同的指令

高效率：

指令的执行速度要快

指令的使用频度要高

各类指令要有一定的比例，如，运算类指令占40%以上，数据传送类指令占30%等

兼容性：

在同一系列机内，指令系统，包括寻址方式和数据表示等保持基本不变

可以适当增加指令、增加寻址方式、增加数据表示等，但不能减少任何已有的...

设计计算机：

步骤一：对这个问题进行研究，把问题确定下来；

步骤二：将问题进行分解，确定基本的操作，用什么样的硬件，什么样的软件来解决；

步骤三：确定指令集

步骤四：指令集怎么实现，硬件的实现、软件的实现

处理器设计，确定指令集，编写编译器，编写相应的操作系统，对我们的应用加以支持，对硬件加以调度，然后运行一些Benchmark，确定设计是否优，模拟的方法或其它的方法，确定编译输出

影响计算机系统性能好坏：CPU（频率快慢）、存储器

Cache结构和性能评价