计算机系统结构 第二章(指令系统)
系统结构讲义-2
码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予
一位代码“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶 的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指令）的完整编码。 由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压 缩原则。
上面所说的频度值就是各事件实际出现次数的百分比， 它是理论出现概率的近似值。 例：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，利用Huffman 编码法进行操作码编码。 指令 概率 I1 0.45 I2 0.30 I3 0.15 I4 0.05 I5 0.03 I6 0.01 I7 0.01
第二章 指令系统
2.3 指令格式的优化设计
指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和 地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。
指令的组成 操作码 地址码
1) 指令的操作种类。 2) 所用操作数数据 类型。
1) 操作数地址。 2) 地址附加信息。 3) 寻址方式。
指令格式的优化设计目标： 1) 使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。 2) 指令格式要规整，减少硬件译码的复杂程度。
1632和64位固定32位指令时钟频率随技术发展而变化随技术发展而变化寄存器堆824个通用寄存器32192个分离的整数和浮点寄存器堆指令系统规模和类型约300条多于48种指令类型大都基于寄存器寻址方式约12种包含间接变址寻址35种只有取存寻址存储器高速缓存设计较早使用合一高速缓存有些使用分离高速缓存大多数使用分离的数据和指令高速缓存cpi及平均cpi120个周期平均4个简单操作1个周期平均约15个cpu控制大多数用微程序控制有些使用硬连线控制大多数用硬连线控制没有控制存储器代表性商品化处理器intelx86vax8600ibm390mc68040intelpentiumamd486和cyrix686sunultrasparcmipsr10000powerpc604hppa8000digitalalpha21164混合混合ciscriscciscrisc体系结构体系结构pentiumpropentiumpro处理器的处理器的ciscriscciscrisc体系结构体系结构分分基于基于riscrisc核心核心dbab将将x86x86代码转化为代码转化为riscrisc指令指令
(自考02325李学干版)计算机系统结构课后习题
第二章数据表示与指令系统1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确立和引入数据表示的基来源则是什么？答：数据表示是能由硬件直接辨别和引用的数据种类。
数据构造反应各样数据元素或信息单元之间的构造关系。
数据构造要经过软件映象变换成机器所拥有的各样数据表示实现，所以数据表示是数据构造的构成元素。
不一样的数据表示可为数据构造的实现提供不一样的支持，表此刻实现效率和方便性不一样。
数据表示和数据构造是软件、硬件的交界面。
除基本数据表示不可以少外，高级数据表示的引入依照以下原则：（1）看系统的效率有否提升，能否养活了实现时间和储存空间。
（2）看引入这类数据表示后，其通用性和利用率能否高。
2.标记符数据表示与描绘符数据表示有何差异？描绘符数据表示与向量数据表示对向量数据构造所供给的支拥有什么不一样？答：标记符数据表示与描绘符数据表示的差异是标记符与每个数据相连，合存于同一储存单元，描绘单个数据的种类特征 ; 描绘符是与数据分开寄存，用于描绘向量、数组等成块数据的特色。
描绘符数据表示为向量、数组的的实现供给了支持，有益于简化高级语言程序编译中的代码生成，能够比变址法更快地形成数据元素的地点。
但负阶，最小为 0)最大阶(2^p-1)最小尾数值(rm^(-1))最大尾数值(1-rm^(-m'))可表示的最小值可表示的最大值阶的个数(2^p)可表示的尾数的个数可表示的规格化数的个数note:2^6-12^6-12^6-11/21/81/161-2^(-48)1-8^(-16) ，即(1-2^(-48)) 1-16^(-12)，即(1-2^(-48))1/21/81/162^63*(1-2^(-48))8^63*(1-8^(-16))16^63*(1-16^(-12))2^62^62^62^48*(2-1)/28^16*(8-1)/816^12*(16-1)/16 2^6*2^48*(2-1)/22^6*8^16*(8-1)/82^6*16^12*(16-1)/16描绘符数据表示其实不支持向量、数组数据构造的高效实现。
计算机系统结构-第二章自考练习题标准答案
第二章数据表示与指令系统历年真题精选１. 计算机中优先使用的操作码编码方法是（Ｃ)。
A. ＢCD码B. ASCII码C. 扩展操作码Ｄ．哈夫曼编码＝16,除尾符之外的尾数机器位数为8位时，可表示的规格化最大尾数2.浮点数尾数基值rm值为( D ）。
A. 1/２B．1５/16 C. 1/2５6 D. ２５5/25６3. 自定义数据表示包括( 标志符)数据表示和( 数据描述符）两类。
４．引入数据表示的两条基本原则是:一看系统的效率是否有提高;二看数据表示的( 通用)性和( 利用)率是否高。
５．简述设计RISC的一般原则。
6. 简述程序的动态再定位的思想。
７. 浮点数表示,阶码用二进制表示，除阶符之外的阶码位数p=3，尾数基值用十进制表示，除尾符外的尾数二进制位数m=8,计算非负阶、规格化、正尾数时,(1）可表示的最小尾数值; (２）可表示的最大值；（3)可表示的尾数个数。
8. (1）要将浮点数尾数下溢处理成Ｋ—１位结果，则RＯＭ表的单元数和字长各是多少?并简述ＲOM表各单元所填的内容与其地址之间的规则。
(2)若3位数,其最低位为下溢处理前的附加位，现将其下溢处理成2位结果，设计使下溢处理平均误差接近于零的ROＭ表,以表明地址单元与其内容的关系。
同步强化练习一．单项选择题。
１. 程序员编写程序时使用的地址是( D ）。
Ａ．主存地址 B ．有效地址 C.辅存实地址 D.逻辑地址2. 在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是( Ｂ ）。
A.舍入法B.截断法 C ．恒置“1”法 Ｄ．ＲOM 查表法３. 数据表示指的是（ C )。
Ａ.应用中要用到的数据元素之间的结构关系 B.软件要处理的信息单元之间的结构关系 Ｃ.机器硬件能识别和引用的数据类型 D ．高级语言中的数据类型说明语句 ４. 标志符数据表示中的标志建立由（ Ａ )。
A.编译程序完成 Ｂ.操作系统完成C.高级语言编程时完成 D ．汇编语言编程时完成5. 堆栈型机器比通用型机器优越的是( C ）。
计算机系统结构第2章
计算机系统结构第2章第⼆章指令系统第⼀节指令系统设计概述⼀、指令系统概述1、指令系统的设计、应⽤及实现(1)指令系统的设计*机器指令：计算机硬件实现的运算或操作的命令；第i 种格式：OP i A 1A 2编码⽰例：00110 000~111 000~111功能⽰例：A 1←(A 1)+(A 2)第j 种格式：OP j A 编码⽰例：10110 000~111功能⽰例：A←(A)+1*指令系统设计：定义所有机器指令的格式(含编码)。
*指令系统：所有机器指令的集合；第1种：第2种：…第n 种：OP 1A 1A 2OP 2A OP n A 1A 2…(2)指令系统的应⽤第i种指令应⽤⽰例a：00110 000 001 功能AH←(AH)+(AL)⽰例b：00110 011 000 功能BL←(BL)+(AH)应⽤程序⽰例：从主存地址为2000H开始的100个元素累加求和机器指令格式机器指令程序汇编程序1011wreg data 1011001001100100 CX←1001011100100000000 00100000LP：BX←2000H1011000000000000 AL←0 0000000w mod reg r/m 0000000100000111AL←AL+[BX] 01000reg 01000001 BX←BX+1 11100010 disp 11100010 11111000 LOOP LP*指令系统应⽤：按指令格式要求，根据应⽤需要、编写程序中的指令(即指令格式的实例)。
(3)指令系统的实现指令功能实现步骤—ID 对IR 的OP 译码，⽤输出信号控制某⼀部件⼯作；ID 对IR 的A 译码，⽤输出信号控制相关REG 的读/写；信号有效时间由时序部件及该指令功能实现步骤决定。
指令操作或运算—部件功能实现及数据传递等的组合。
*指令系统实现：按指令格式要求，⽤硬件实现指令功能。
*设计/应⽤实现三者关系：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。
计算机系统结构课后答案chap2-answer
第二章计算机指令集结构设计2.1 名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
3.通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。
4.CISC——复杂指令集计算机。
5.RISC——精简指令集计算机。
2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。
(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。
(5)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。
2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。
(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
计算机系统结构 第二章 数据表示与指令系统
缺点：处理速度慢， 需要花费时间在数的浮 加位加1以及因此产生进 位的时间。
19
4）查表舍入法
其方法是基于存储逻辑思想 ，用ROM 或PLA存放下溢 处理表。
优点：集中了上述各种处理方 法的优点，避免了舍入法所需 的相加和进位传输时间。由于 ROM的读出时间比加法时间短， 所以这种查表的速度比较快。 该方法速度快，平均误差可调 节到趋于0
计算机系统结构
第二章数据表示与指令系统
刘超 中国地质大学计算机学院
第二章 数据表示与指令系统
2.1浮点数数据表示(尾数/基值选择、下溢处理) 2.2高级数据表示(自定义、向量、堆栈) 2.3寻址方式与指令格式优化(寻址/定位/优化) 2.4指令系统的两种风格(CISC和RISC)
3
2.1.2引入数据表示的原则
巨的、范大围、大中，个型数机多上，，运rm算宜速取度大快，；这而样小使、可微表型示机的由数 于可表示数范围不要求太大、速度也不要求太高， 尾 取数 值字小长些较。短如，：所以更注重于可表示精度，宜使rm
PDP-11/ Intel X86等，rm=2； IBM 370，rm=16; Burroughs B6700，rm=8
由于表示产生的误差大小就是数的表示精度。当 总的机器字长确定好之后，结构设计者就应该确 定好浮点数表示中p和m的位数，这主要示根据 数的表示范围和精度来定的。
8
阶码采用二进制p位， 尾在数非采负用阶、rm正进尾制数m、′位规， 格化条件下各种浮点数 特性参量的一般式
10
(1)可表示数的范围 随于p可着大以的rm减r的m少的增。大值，，可为表表示示数相的同范范围围增的大数，，换其句阶话码说的位，对数
计算机系统结构 第二章自考练习题答案
第二章数据表示与指令系统历年真题精选1. 计算机中优先使用的操作码编码方法是（ C ）。
A. BCD码B. ASCII码C. 扩展操作码D. 哈夫曼编码=16，除尾符之外的尾数机器位数为8位时，可表示的规格化最大尾2．浮点数尾数基值rm数值为（ D ）。
A. 1/2B. 15/16C. 1/256D. 255/2563. 自定义数据表示包括（标志符）数据表示和（数据描述符）两类。
4. 引入数据表示的两条基本原则是：一看系统的效率是否有提高；二看数据表示的（通用）性和（利用）率是否高。
5. 简述设计RISC的一般原则。
6. 简述程序的动态再定位的思想。
7. 浮点数表示,阶码用二进制表示,除阶符之外的阶码位数p=3,尾数基值用十进制表示,除尾符外的尾数二进制位数m=8,计算非负阶、规格化、正尾数时，（1）可表示的最小尾数值；（2）可表示的最大值；（3）可表示的尾数个数。
8. (1)要将浮点数尾数下溢处理成K—1位结果，则ROM表的单元数和字长各是多少并简述ROM表各单元所填的内容与其地址之间的规则。
(2)若3位数，其最低位为下溢处理前的附加位，现将其下溢处理成2位结果，设计使下溢处理平均误差接近于零的ROM表，以表明地址单元与其内容的关系。
同步强化练习一．单项选择题。
1. 程序员编写程序时使用的地址是（ D ）。
A．主存地址 B．有效地址 C．辅存实地址 D．逻辑地址2. 在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是（ B ）。
A．舍入法 B．截断法 C．恒置“1”法 D．ROM查表法3. 数据表示指的是（ C ）。
A ．应用中要用到的数据元素之间的结构关系B ．软件要处理的信息单元之间的结构关系C ．机器硬件能识别和引用的数据类型D ．高级语言中的数据类型说明语句4. 标志符数据表示中的标志建立由（ A ）。
A ．编译程序完成B ．操作系统完成C ．高级语言编程时完成D ．汇编语言编程时完成5. 堆栈型机器比通用型机器优越的是（ C ）。
计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著（2）
第1章计算机系统结构的基本概念1.1解释下列术语计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
它包括同时性与并发性两种含义。
1.2试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。
答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。
确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。
选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
一种体系结构可以有多种组成。
一种组成可以有多种实现。
1.4计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU性能公式。
执行一个程序所需的CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
1.6某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数450001数据传送750002浮点80004分支15002求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
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本章内容>>数据表示 >>浮点数数据表示
浮点数格式
两个符号： mf :尾数符号 e f :阶码符号 1位 mf 1位 ef
N mr
q位 e
两个数值： e m :尾数的值 m e :阶码的值 p位 m 两个字长： p :尾数的长度
两个基： rm :尾数的基 re :阶码的基
分析:当R＞3时有 BY/BX < 1。 在实际应用中经常是R ＞10。 同济大学.电子与信息工程学院.计算机科学与工程系
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5 之 1
数据描述符表示法
思想
对于许多连续存放的同属性数据，例如：向 量、矩阵、多维数组等，可以采用一个数据描述 符作用于这样的一组数据，而没有必要让每个数 据都带标志符。
《Computer Architecture》V3
答: 程序在X中的存储空间： 程序在Y中的存储空间：
BY 30I
30I
2 32I BX 32I R
2 35I R
二者的比值为：
BY BX
2 35I 15R 35 R 2 32I 16R 32 32I R
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2 之 1
基本数据表示
内容 定点数、浮点数、十进制数、逻辑数、字符等。 目的 支持数据结构，提高系统效率和性能/价格。 设计 根据应用需求，设计各种参数、指标。 举例 浮点数数据表示的设计。
浮点数尾数下溢 的处理
问题 在浮点数操作（相加、相 乘、右移等）过程中产生的 下溢会造成精度的损失。 解决 设计下溢处理方法，有多 种方法，不同的方法有不同 的优点和缺点，其出发点和 应用场合也不一样，应根据 需要进行选择。
《Computer Architecture》V3
截断法
舍入法 恒臵“1”法 查表舍入法
《Computer Architecture》V3
q :阶码的长度
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浮点数尾数基值 的选择
表数范围 随rm加大，范围加大。 表数个数 随rm加大，个数增多。 表数精度 随rm加大，精度变低。 运算精度损失 随rm加大，损失变小。 运算速度 随rm加大，速度变快。
的关系），增加了编译程序的负担，能否在
设计机器语言时，缩短与高级语言之间的差
距？
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4 之 1
带标志符的数据 表示法
思想
每个数据的格式为：
标志符 数值
例子
指令系统
指令系统的分类
数据表示
寻址技术
指令格式的优化设计
指令系统的功能设计
综合实例：MIPS指令集
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6 之 1
指令系统的分类
分类标准
根据CPU中操作数的存储方法分类（主要分 类准则） 根据指令中显式操作数个数分类 根据操作数能否放在存储器中分类
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6 之 6
指令系统的选择
针对应用需求，对指令中各属性分布进行 分析，根据指令执行效率确定指令集风格 根据各种指令的各属性分布确定寄存器数 及操作数个数 必须考虑对OS和编译程序的支持
缺点
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4 之 3
存储空间分析
问题 存储空间将会增加。 解决 合理地设计和使用会不增 反降。 原因 数据字增加，指令字 缩小 编译程序缩短，目的 程序缩短
描述符
101
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5 之 4
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2 之 2
浮点数数据表示设计
浮点数格式 浮点数尾数基值选择
浮点数尾数下溢处理
浮点数格式设计
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例：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 别计算一个有I条指令的程 序在这两种不同类型的处理 机中所占用的存储空间。
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2 之 1
高级数据表示
内容 堆栈、向量、数组（队列）、记录、自定义数 据表示等。 目的 支持数据结构，提高系统效率和性能/价格。 举例 自定义数据表示。
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2 之 2
浮点数格式设计
设计重点
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。
研究对象
阶码长度q 影响表数范围。 尾数长度p 影响表数精度。 尾数基值rm 影响表数范围、精度及数在数轴上分布离散程度。
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采用标志符 的指令字长
指 令 字 长 标志符长度 缩 短
数据字长 加长
指令 不采 用标 志符 的指 令和 数据 字长
数据
采用标志符的数据长度
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4 之 4
存储空间分析
例子
以Burroughs公司生产的B-6700机中采用的 数据描述符表示方法进行介绍。
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5 之 2
B-6700中的格式
数据描述符格式 101 标志位 数据块长度 数据块起始地址
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数据表示
基本概念 基本数据表示 高级数据表示
数据表示设计
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数据格式 000 数值
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5 之 3
取操作数的过程
操作码 x y 指令 主存储器 101 （数据） …
寄存器 描述符 101
101 地址形 成逻辑
000
（数据） … 000 …
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6 之 4
通用寄存器型指令系 统的分类
根据分类标准2、3可以分为：
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6 之 5
不同通用寄存器型指 令系统的特点
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。
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3 之 3
结 论
数据类型是指令系统的核心内容，系统 结构设计者在设计时应首先确定： 哪些数据类型全部用硬件实现，即数 据表示；哪些数据类型用软件实现，即数据 结构；哪些数据类型可由硬件给予适应的支 持，即由软件和硬件共同来实现，并确定软 件和硬件的适当比例关系。
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4 之 2
带标志符的数据 表示法
优点
简化指令系统和程序 设计 简化编译程序 便于硬件实现一致性 校验 能由硬件自动完成数 据类型的变换 为软件调试和应用软 件开发提供支持
支持了数据库系统的 实现与数据类型无关 的要求 数据和指令的长度可 能不一致 指令执行速度降低， 程序设计时间、编译 时间和调试时间缩短 硬件复杂度增加。