计算机体系结构课件 李学干

码制转换问题，如ASCII码与BCD码之间的转换。 在IBM 370计算机中就设置有专门的码制转换指令， 用一条指令就能完成一个字串的码制转换。
面向目标程序的优化方法

例：“翻译”指令用于码制变换，如EBCDIC码 ASCII 码
被变换符（源符）块 变换表 (B1)+D1 G L
YY
(B2)+D2
取决于所设计的系统中 指令的使用频度的分布。
使平均码长∑pili最短
指令字格式的优化
为了不降低访存取指令的速度，就要维持指令字 按整数边界存储。 可寻址224的 存储空间。 操作数地址的位数 从寻址范围看，越大越好 用各种方法，压缩操作数部分的位数。
指令中访存地址码部分
基寄存器址
4位
位移量（D）
12位
指令系统的设计和优化
指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性， 是软、硬件的主要界面 －指令系统是计算机系统结构的主要组成部分； －指令系统是软件与硬件分界面的一个主要标志； －指令系统是软件与硬件之间互相沟通的桥梁。
指令系统的基本特性

完备性指的是一个指令系统可以满足对给定的算 法编制出程序来加以实现的特性； 有效性指的是一个指令系统能用相当少的指令编 出实现某种算法的程序的特性； 简明性指的是一个指令系统既能简化处理机结构 的设计，又能简化编程的特性。
指令的使用频度


指令的静态使用频度指的是对多种典型程序源代 码中所用的指令和指令串进行统计所得出的百分 比。 指令的动态使用频度指的是对多种典型程序在运 行过程中所执行的指令和指令串进行统计所得出 的百分比。
着眼于减少目标程序所 占用的存储空间
着眼于减少目标 程序的执行时间
例：对IBM 360的19个典型程序进行统计：

面向目标程序优化实现的改进

优化的目的
提高目标程序的实现效率
衡量效率的主要标准
程序的实现速度和长度
优化的基本思想
对使用频率高的指令,
增强其功能并缩短字长； 对使用频率高的指令串, 增设新指令来替代它； 对使用频率低的指令, 取消或合并,但要考虑到 指令系统的兼容性问题 。
指令字格式的优化
定长地址码带来的问题
li:操作码优化表示的长度
定长地址码发挥不出操作码优化表示的作用
指令字格式的优化
通过采用多种不同的寻址方式，地址制、地址形式和 地址码长度以及多种指令长度，将它们与可变长操作 码的优化表示结合起来，可构成冗余度尽可能少的指 令字。
指令字格式的优化
指令 OPR+OPD
寻址方式在指令中的指明方式
操作码占用位
DJS200中：操作码中2位表示
地址码设置寻址方式字段 VAX-11的4位寻址方式字段； 寻址灵活、操作码短，需专门的寻址方式 位字段。
V:两种表示寻址方式的方法
2.2.2 程序在主存中的定位
逻辑地址与主存物理地址
逻辑地址：程序员编写程序时使用的地址。
物理地址：程序在主存中的实际地址。 逻辑地址空间和物理地址空间是不一致的。
面向高级语言的优化实现改进

优化的目的
尽可能缩短高级语言和机器语言间的语义差距
衡量效率的主要标准
程序的编译时间和长度

优化的基本思想
对高频指令增设与之语义差距小的新指令； 面向编译，优化代码生成； 设法改进指令系统，使其与各种语言间的语义差距都同
等缩小； 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、多 种系统结构； 发展高级语言计算机。
寻址方式的种类
变址寻址
ADD R3,（R1＋R2)
寄存器间接寻址 ADD R1,@(R3) 自增自减寻址 ADD R1, (R2)+
R3R3+M[R1+R2]
R1 R1+M[M[R3]] R1 R1+M[R2] R2 R2+d
V:当前指令集结构中所使用的一些操作数寻址方式 V:寻址方式使用情况统计结果
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann编码
操作码的Hufmann 编码
例（续）
操作码的Hufmann编码
扩展操作码宜于等长扩展 便于分级译码

如48 12码，步长为4。
操作码的Hufmann编码
15/15/15码
操作码的Hufmann编码
15/15/15码 8/64/512码
第二章 数据表示与指令系统
2.2 寻址方式
寻址方式
寻址方式 指令按什么方式寻找(或访问)到所需的操作 数或信息。 寻址方式分析 目的：以最短的位描述给定的寻址方式。 逻辑地址与主存物理地址
2.2.1 寻址方式分析
寻址方式分析
存放数据或信息的部件通常有通用寄存器、主存、 堆栈以及像控制寄存器、设备寄存器及某些专门 寄存器等。 V: CPU中用来存储操作数的存储单元 面向寄存器的寻址方式 速度快，增加硬件 面向主存的寻址方式 容量大，速度稍慢，减少寄存器占用 面向堆栈的寻址方式 实现子程序、递归，减轻编译负担
寻址方式分析
编址方式（寄存器组、主存、I/O） 1）统一编址 所有从“0”开始 优点：可简化指令系统。 缺点：使地址形成复杂化。 2）分类编址 各自从“0”开始 优点：指令较短、地址形成简单、编址空间较大。 缺点：区分每类部件的标志。 3）隐含编址 事先约定好 优点：速度比较快，不必进行地址计算。
操作码的Hufmann编码
Hufmann树的构造
选取两个概率最小的节点合并成一个概率值是两者 之和的新节点，并把这个新节点与其他还没有合并 的节点一起形成新节点集合。 在新节点集合中选取两个概率最小的节点进行合并， 如此继续，直至全部节点合并完毕。 最后得到的根节点的概率值等于1。 每个节点都有两个分支，分别用0和1表示。 从根节点开始，沿箭头所指方向，到达属于该指令 的概率节点，把沿线经过的代码组合起来，就得到 这条指令的操作码编码。
ST L LA ST L REG, SAVE REG, VARIABLE REG, N, (REG) REG, VARIABLE REG, SAVE ; ; ; ; ; (REG)SAVE REG(VARIABLE) REG (REG)+N REG VARIABLE REG (SAVE)
逻辑地址与主存物理地址
IBM370
主存宽度64位
V:访问不同操作数大小的频率
64位 主存宽度64位
保证访存速度 造成浪费
速度和价格的权衡
字节地址为：… 半字地址为：… 0 单字地址为：… 00 双字地址为：… 000
2.3 指令系统的设计和优化
V:高级语言计算机指令系统
大多数采用分类编址的方法 缺点：设计不规范。
寻址方式的种类
寄存器寻址
ADD R4,R3
立即寻址 ADD R4,#3
R4R4+R3
R4 R4+3 R1 R1+M[2000] R4 R4+M[R1]
直接寻址
ADD R1, (2000) 间接寻址 ADD R4, (R1) 相对寻址（偏移寻址）
ADD R4,100(R1) R4 R4+M[100+R1]
地址码长度可以有很宽的变化范围，是可以和可 变长操作码配合 ——长操作码配短地址码
采用多种地址制式：三、二、一、0地址 最常用的指令操作码最短，其地址段个数多，功 能增强
指令系统的优化设计
目前，指令系统的优化设计有两个截然相反的方向。 1、增强指令的功能 强化指令功能，把一些原来由软件实现的、常用的功 能改用硬件的指令系统来实现复杂指令系统计算机 (complex instruction set computer，CISC)。
面向操作系统的优化实现改进

优化的目的
尽可能缩短操作系统和系统结构间的语义差距

衡量效率的主要标准
操作系统的时间和存储空间
优化的基本思想
根据高频指令（串）改进； 增设专用于操作系统的新指令； 将高频、影响大的“机构型”软件子程序硬化或固化； 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理
V:不同立即值大小的使用分布情况
操作码的优化表示
研究操作码的优化表示，是 为了缩短指令字的长度，减少程序的总位数 及增加指令字所能表示的操作信息和地址信息。

H '：操作码的实际平均长度
操作码的Hufmann编码
假设一台模型计算机共有7种不同的操作码， 已知各种操作码在程序中出现的概率如下表， 计算采用Huffman编码法的操作码平均长度， 并计算固定长操作码和Huffman操作码的信息 冗余量。
XX
…
XX
①
…
YY
…
翻译
0 8
②
…
B2
32 36
L
B1
16 20
D1
D2
47
(B1)+D1+G ((B2)+D2+((B1)+D1+G)) G=0, 1, ..., L-1
面向目标程序的优化方法
3．增强程序控制指令的功能
在CISC计算机中一般均设置了多种程序控制指令。
例如，VAX-11/280有29种转移指令。
2、尽量简化指令功能 尽量简化指令功能，只保留那些功能简单，能在一个 节拍内执行完成的指令，较复杂的功能用一段子程序 来实现 计算机系统称为精简指令系统 (reduced instruction set computer，RISC)。
CISC指令系统的发展
面向目标程序优化实现的改进 面向高级语言优化实现的改进 面向操作系统优化实现的改进