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
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
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]：
[缺点]：
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 r_m^{-1} rm−1
最大尾数： 全 111 最 大 1 − r m − m ′ 全111最大1 - r_m^{-m'} 全111最大1−rm−m′
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
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
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
概率高的用最短的位数来处理
操作码的平均长度公式： H = − ∑ p i ∗ l o g 2 p i , p i 是 第 i 种 操 作 码 出 现 的 概 率 H = -sum pi*log_2p^i,pi是第i种操作码出现的概率 H=−∑pi∗log2pi,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： R = 1 − − ∑ p i ∗ l o g 2 p i l o g 2 n 分 母 需 要 向 上 取 整 R = 1-frac{-sum pi*log_2p_i}{log_2n} 分母需要向上取整 R=1−log2n−∑pi∗log2pi分母需要向上取整
最短平均长度 H o p t 是 一 个 理 想 值 H_{opt} 是一个理想值 Hopt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 定义以及特点
为了使指令流水线不断流，在转移指令之后插入一条没有数据相关和控制相关的有效指令，而转移指令被延迟执行，这种技术称为延迟转移技术
采用指令延迟转移技术时，指令序列的调整由编译器自动进行，用户不必干预
类似于指令重排
采用延迟转移技术的两个限制条件
• 被移动指令在移动过程中与所经过的指令之间没有数据相关
• 被移动指令不破坏条件码，至少不影响后面的指令使用条件码
Ø如果找不到符合上述条件的指令，必须在条件转移指令后面插入空操作
Ø如果指令的执行过程分为多个流水段，则要插入多条指令
• 插入1条指令成功的概率比较大，插入2条或2条以上指令成功的概率明显下降(找不到啊)
采用指令延时技术，经常找不到可以用来调整的指令，
• 可考虑采用另一种方法：指令取消技术
• 分为两种情况：
(1) 向后转移（适用于循环程序）
(2) 向前转移(IF THEN )
原因：在RISC中，子程序比CISC中多，因为传送参数而访问存储器的信息
量很大
Ø实现方法：设置一个数量比较大的寄存器堆，并把它划分成很多个窗口。
在每个过程使用的几个窗口中：
• 有一个窗口是与前一个过程共用
• 有个窗口是与下一个过程共用
情况：
(1) 向后转移（适用于循环程序）
(2) 向前转移(IF THEN )
原因：在RISC中，子程序比CISC中多，因为传送参数而访问存储器的信息
量很大
Ø实现方法：设置一个数量比较大的寄存器堆，并把它划分成很多个窗口。
在每个过程使用的几个窗口中：
• 有一个窗口是与前一个过程共用
• 有个窗口是与下一个过程共用
[外链图片转存中…(img-RtfEEKgr-1653990253811)]
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