体系结构课件chapter21章节

第二章 数据表示、寻址方式与指令系统,2,目录,2.1 数据表示 2.2 寻址方式 2.3 指令系统的设计和优化 2.4 指令系统的发展和改进,3,§2.1 数据表示,1 数据表示与数据结构 (重点) 2 高级数据表示 自定义数据表示（Self_defining） 带标识符的数据表示 数据描述符 向量数组数据表示 堆栈数据表示 3 引入数据表示的原则 4 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择（选讲）,4,1 数据表示,定义：机器硬件能直接识别和引用的数据类型。 条件：相应的运算指令和运算硬件(处理部件)。 分类：基本数据表示、高级数据表示、自定义数据表示。 目标： 缩小高级语言和机器语言间的语义差别 提高性能/价格 节省处理时间和存储空间 实现：最小的存储空间、最简单的存取算法。,5,数据表示与数据结构,数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。由硬件实现的数据类型 数据结构：面向计算机系统软件、面向应用领域所需处理的数据类型。由软件实现的数据类型。 反映了应用中用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系 目标：最大限度满足应用要求、最简化的方法实现。 实现：通过数据表示和软件映象相结合方法实现。 两者的关系 不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持 数据表示是数据类型的子集 数据结构和数据表示是软、硬件的界面 数据表示的确定实质上是软、硬件的取舍问题,6,数据类型,定义：具有一组值的集合，且定义了作用于该集合的操作集。 目的：防止不同类型数据间的误操作。 分类：基本类型、结构类型。 基本数据类型 内容：二进制位、二进制位串、整数、十进制数、浮点数、字符、布尔数等。 结构数据类型定义：由一组相互有关的数据元素复合而成的数据类型。 分类：系统数据类型、用户自定义数据类型 内容：数组、字符串、向量、堆栈、队列、记录等,7,数据表示中应表达的内容,数值的表达 进位制数、负数、小数点的方式 字符和符号的表达 ASCII码 数据单位的表达 字：逻辑单位，一条指令处理的数据单位。32Bit, 字节、半字、字、双字 数据的属性 类型、存放的位置、对数据的约束,8,数据表示的发展,定点数据表示 用定点数表示浮点数 不方便而低效 50年代提出变址操作，为向量、阵列提供方便。 变址寻址:把CPU中某个变址寄存器的内容与偏移量D相加来形成操作数有效地址。 用循环遍历向量和阵列 可变长字符串数据表示 支持串数据结构的实现 用于输入、输出、事务处理和编译,9,图 2.1 变址操作对向量、 阵列数据结构的支持,起始地址,变化范围,多维,10,2 高级数据表示,(1)自定义数据表示（Self_defining） 带标识符的数据表示 数据描述符 (2)向量数组数据表示 (3)堆栈数据表示,11,(1)自定义数据表示,高级语言和机器语言的差别很大 高级语言 用类型说明语句指明数据类型，数据类型与数据本身联系 运算符通用，与数据类型无关 机器语言 操作码指明操作数的类型 问题：编译时需要把高级语言中的数据类型说明语句和运算符变换成机器语言中不同类型指令的操作码，并验证操作数的类型是否与运算符要求的一致,12,(1)自定义数据表示-带标识符的数据表示,主要用于指明数据类型（如二进制整数、十进制整数等），也可用于指明机器内部所用信息的各种类型。 由编译程序建立，对高级程序员透明。,13,带标识符的数据表示的优缺点,优点: 简化指令系统和程序设计 简化编译程序 便于一致性校验 能由硬件自动完成数据类型的变换 支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求 为软件调试和应用软件开发提供支持；,缺点： 使程序所占用的主存空间增加（如下图） 降低指令的执行速度； 必须用专门的指令完成标识符的初始化,14,采用标识符缩短操作码而节省程序空间,A,B,采用标识符 数据字增长,不采用标识符,数据（少）,指令（多）,采用标识符 指令字缩短,通常有 面积B面积A,15,举例：,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2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。,16,程序占用存储空间的比值：,当R3时，有：ByBx,在实际应用中经常是R10,即带标志符的处理机所占用的存储空间通常要小。,17,(1)自定义数据表示-数据描述符,101,各种标识符,长度,地址,000,数据,描述符,数据,目的：描述复杂和多维的结构类型。,18,数据描述符,实现阵列数据的索引比变址方法实现的好，而且能检查程序设计中阵列越界错误。 为向量、数组数据结构的实现提供一定的支持，有利于简化编译中的代码生成。 工作过程：如下图,19,描述符的工作过程,按指令操作数x，y访存，若取来的字的前三位 =“000”，就是所需操作数 =“101”，表明是描述符。取到描述符寄存器，经地址形成逻辑形成操作数的地址，再访存取数,寄存器,20,21,数据描述符与带标识符的区别,标识符是和每一个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征。 描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的数据是整块数据还是单块数据，访问该数据块或数据元素需要的地址以及其他特征信息等。,22,(2)向量数组数据表示,举例：计算 i=10、11.1000 C语言：for (i=10; i=1000; i+) Ci=Ai+Bi,23,图 2.5 向量编址所用的参数,24,向量数据表示： C=A+B,25,向量处理机(向量计算机)(Vector Processor)：具有向量表示和相应的向量运算指令的计算机。 标量处理机(标量计算机)(Scalar Processor)：不具有向量表示和相应的向量运算指令的计算机。,26,向量数据,向量的表示 数组 为A的元素。 可为定点数、浮点数、整数、逻辑数等。 向量在主存储器中的存放原则 规律性 地址计算简单 访存冲突小 向量的存放方式 元素相邻存放 元素等间距存放,27,向量数据,向量存储的参数 基地址、位移量、向量长度 稀疏向量的压缩 采用隐蔽位向量方法，如下图 向量指令格式的描述 寄存器-寄存器 存储器-寄存器 存储器-存储器,28,稀疏向量的压缩,29,(3)堆栈数据表示,有利于编译和子程序调用。 堆栈机器：具有堆栈数据表示的机器。 其特点： 有若干高速寄存器组成的硬件堆栈，并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上组成一个整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，堆栈的容量是主存的； 有很丰富的堆栈操作类指令且功能很强，直接可对堆栈中的数据进行各种运算和处理；,30,堆栈数据表示（续）,有力地支持高级语言程序的编译； 有力地支持子程序的嵌套和递归调用 减少大量辅助性工作 多使用零地址指令 存储效率高,31,3 引入数据表示的原则,(1) 看系统的效率是否提高，是否减少了实现时间和所需的存储空间； 举例1：两个200*200的二维定点数组相加 PL/1 A=A+B, 无阵列型：编译生成代码有6条指令，其中4条需循环执行 200*200=40000次 有阵列型：1条指令，在主存和处理机之间的信息传送量仅取指就减少4*40000=160000次,32,引入数据表示的原则（续）,(2) 看引入数据表示后，其通用性和利用率是否高； 通用性：是否对多种数据结构均适用。 利用率：硬件设置大小的选择。 数据结构的发展总是优先于机器的数据表示，应尽可能为数据结构提供更多的支持。,33,定点数与浮点数(选讲),计算机处理的数值数据多数带有小数，小数点在计算机中通常有两种表示方法， 一种是约定所有数值数据的小数点隐含在某一个固定位置上，称为定点表示法，简称定点数； 另一种是小数点位置可以浮动，称为浮点表示法，简称浮点数。,34,定点数表示法(fixed-point),定点小数是纯小数，约定的小数点位置在符号位之后、有效数值部分最高位之前。 定点整数是纯整数，约定的小数点位置在有效数值部分最低位之后。,35,浮点数表示法(floating-point number),与科学计数法相似，任意一个J进制数N，总可以写成 N = J E × M 式中 M 称为数 N 的尾数(mantissa)，是一个纯小数； E 为数 N 的阶码(exponent)，是一个整数， J 称为比例因子 JE 的底数。 这种表示方法相当于数的小数点位置随比例因子的不同而在一定范围内可以自由浮动，所以称为浮点表示法。,36,其中 ES 表示阶码的符号，占一位，E1En 为阶码值，占 n 位，尾符是数 N 的符号，也要占一位。,