计算机系统结构第2章.ppt

《计算机系统结构第2章.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机系统结构第2章.ppt（40页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、属性 P4-5,计算机系统结构的属性应包括：1.硬件能直接处理的数据类型,格式等 2.最小寻址单位,寻址类型,地址计算等 3.通用/专用寄存器的设置 4.指令系统 5.内存组织 6.中断系统 7.机器级管态/用户态的定义和功能切换 8.机器级I/O结构 9.信息保护方式和保护机构,原理上，软件实现的功能完全可以用硬件或固件完成，硬件实现的功能也可以由软件的模拟来完成，只是其性能、价格实现的难易程度有所不同。,软件和硬件在逻辑上是等效的。,具有相同功能的计算机系统，其软、硬件功能分配比例可以在很宽的范围内变化。,第二章 数据表示与指令系统（P36）,2.1 浮点数表示和 IEEE 754 标准

2、2.2 高级数据表示 自定义数据/向量数据/堆栈数据2.3 寻址方式与指令格式的优化设计 寻址方式/程序定位技术/指令格式优化设计2.4 指令系统设计的两种风格 指令系统的功能 CISC/RISC 两种指令系统风格和它们的比较,第二章 数据表示与指令系统（P36）,本章的主要内容：表示型与结构型数据；IEEE标准浮点表示；高级数据表示；指令系统设计的两种风格。本章学习目的和要求：掌握IEEE浮点表示；掌握描述型数据表示、掌握 RISC 指令系统要点。本章重点：IEEE-754浮点数标准；RISC 指令系统。本章难点：以 2 n 为底的浮点数尾数的理解。,数据漫谈,我们谈谈数据(Data)和数据

3、分类 数据(Data)：没有发明电子计算机之前,Data 原意是材料。通常指那些被证实可以使用的非实物材料,如数字,信息和消息,写文章的素材,打官司的理由，或者别的什么,乃至人们的思想,等等一切“待处理的对象”都可称“Data”,范围非常非常广。今天在计算机行业,我们把一切可以由计算机处理的数字,符号和其它信息，统称 Data。.本课仅讲解:用户自定义的Data,系统Data,指令。,2.1 浮点数表示和 IEEE754 标准（P36）,2.1.1类型表示结构,数据类型,数据表示,数据结构及其关系 计算机的数据来源有三：一由用户在程序中定义，是要处理的数据。二由系统在程序运行过程蕴含生成，是系

4、统固有的。三是指令即控制序列。.数据类型：指一组值的集合以及作用于这个集合上的操作集。从系统结构角度看,数据类型可分为基本数据类型、结构型数据类型、访问指针数据类型、抽象数据类型等。,表示型数据和结构型数据（P36）,表示型、结构型,.表示型数据：硬件能直接识别和引用的、由运算指 令和运算部件实现运算的数据。如定点数,浮点数，布尔数和二进串，表示型数据是自然数据形式。.结构型数据：将表示型数据按一定的逻辑组织起来,就成为结构型数据。它们面向应用和软件。如:串,栈,队列,向量,树,图等等。结构型数据是人为的,数据表示（续P37）,数据表示,结构型数据由数据结构学科通过高级语言详细描描述。硬件不“

5、懂”数据结构，要通过一定的算法变成为表示型数据硬件才可以处理。例如数据结构中的“树”,硬件不懂什么是“根”,什么是“叶”,它只认 0 和 1。结构型数据“树”需要人确定：如何在计算机系统将其转变为 0 和 1 组成的表示型数据计算机才可处理。,数据表示（续P37）,数据表示,结构型数据 通过一定的算法变成 表示型数据才能在系统中处理。结构型数据和表示型数据的差距是高级语言语义和机器语言语义的差距，数据结构学科的研究，填补了差距的算法和映像。例如“数组”通过变址寻址变为线性的一维数据，硬件可以直接识别而处理之 再如用软件还是用硬件实现BCD运算，在系统设计时就必须确定。,续(R/H),数据表示是

6、自然的,硬件可以识别,数据结构 是人为的,要通过软件才可识别。系统结构设计者在设计系统时,要确定哪些数据 类型用数据表示实现？哪些数据类型用数据结构 构实现？亦即确定硬件和软件的选用问题。例如实现BCD运算，是选用软件模块还是选用硬件模块呢？在系统设计时就必须考虑好。,两型数据决定硬件和软件的划界,（P37-）,续(向量),举例：分别用软件和硬件实现向量运算的问题：设向量操作 A=A+B，若 A,B 都是 200 阶的方阵。在没有硬件支持向量数据表示的计算机,需要用 6 条指令软件实现。其中 4 条要循环4万次!在有向量表示的计算机上只一条“向量加”就够了,访内就减少 16 万次!大大加快了程

7、序的运行。可见,对有大量向量运算的场合,选用向量处理机合算。,硬件 软件 数据表示 数据结构 表示型数据 结构型数据 机器语言语义 高级语言语义,浮点数据表示,按小数点的位置是否固定,机器数分定点数和浮点数。.定点整数：约定最高位为符号位,小数点固定在 数的最低位右边。如：+1011011.定点纯小数：约定最高位为符号位,小数点固定在 符号位之后。如：+.1011011 注：*只有整数和纯小数可用定点表示，以补码为例，如-0011011 定点补码为 11100101-0.0011011 定点补码为 1.1100101*但是,无论什么数都可以用浮点表示,.浮点数一般的典型格式如图所示：,数符,阶

8、符,E（阶码）,M（尾数的有效数字）,一般浮点表示,小数点,S SE E1 En M1 M2 Mm,N(-1)S 2 E 0.M,.理论上浮点数从格式换算为真值：,.浮点数定义为小数点位置可按需浮动的数。.浮点数可表示整数,纯小数,既有整数又有小数的数。,数符,阶符,E(原码表阶码),M(原码表尾数的有效数),一般浮点表示,小数点,1,0,0,0,1,0,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,浮点数是小数点位置可按需浮动的数它的二进制一般格式是 N(-1)S 2 E 0.M（这里用原码表示）式中 N:数的值；S:符号位；E:阶码；M:尾数有效数字,例：将十进制数(-9.5)表示为16位的浮点

9、字。解：(-9.5)(-1001.1 B)，按格式书写：(-1001.1 B)(-1)12+4 0.10011,IEEE754标准格式和一般格式有些差别。在本标准：约定阶码 E 实际阶码值127,所以本标准中E无 负数,这个阶码是一种移码表示。约定 M 小数点前面隐含一个“1”，这意味着格式化 的尾数值是 1.M，表数精度比一般格式高。采取某些措施表示几个特别的数字(P46,表2.4)。IEEE 754 规格化的单精度浮点数真值按下计算：式中 尾数的真值=1.M，阶的真值=E-127,符号S=0或1,IEEE,N(1)S 2 E127 1.M,IEEE 754 标准浮点数格式表示,2.1.3

10、IEEE，P45,(a)单精度格式字长32位，其真值N求得方法如下：,N(1)S 2 E127 1.M,(b)双精度格式字长64位，其真值N求得方法如下：,N(1)S 2 E1023 1.M,IEEE标准,按IEEE标准常用的三种浮点数的格式为：数符 阶码 尾数 总位数 短 实 数 1 8 23 32 长 实 数 1 11 52 64 临时实数 1 15 64 80,以下各片供复习时参考：符号位(Sign)表示整个浮点数的符号。有符号原码定点整数的表示范围为：-（2n-1)(2n-1)n 为尾数位数 有符号补码定点整数的表示范围为：-2n(2n-1)n 为尾数位数 如8位定点数原码表示范围为-

11、127 127 补码表示范围为-128 127,复习参考,为解决浮点运算，把各个浮点数阶码化为同阶，叫作浮点的的对阶。设浮点数 1：F1=M12n1 浮点数 2：F2=M22n2 若 n1n2，为保证 F1 的值不变 将 n1 减小，M1 增大(小数点右移)直到 n1=n2 或 n2 增大，M2 减小(小数点左移)直到 n1=n2 例：F1=1.101125,F2=1.110123 可化 F1=110.1123 就可与 F2 作加减运算 或化 F2=0.01110125 就可与 F1 作加减运算,续上,浮点数的规格化 规定：浮点数 F=M12n 在保证 F 的值不变的前提下，同时变换 n 和

12、M1的值，使得该浮点数真值 的尾数小 数点后面第一位为“1”成为 0.1 2n 的形式 例如：0.0100111 26 变换为 0.1001110 25(注：请同学们考虑，如若尾数用补码表示,那 末小数点后第一位应是?请举例）,续上,规格化得：F1=0.1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 210：,又如 F2=0.0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 29,规格化得 F2=0.1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 211,数 F1=0.0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 29,续上,4）移码：移码符号位与补码反,其余数位与补码同。一个数的移码这样求得：将该数的补码符号位取反即得。如

13、：+1101 的补码是 01101，则其移码为 11101。1101 的补码是 10011，则其移码为 00011。,移码,P48，表2.4,IEEE 754 单精度浮点数作出一些规定让规定字长范围内尽可能多地表示浮点数 表示 0 S=0 or 1,E 0,M0,N0 表示 S=0 or 1,E255,M0,N 表NaN S=0 or 1,E255,M0,NNaN 表非规格化数 S=0 or 1,E 0,M 0,N(1)S2E1260.M 表示真浮点数 S=0 or 1,0E254,M0 N(1)S2E1271.M,例题P49,例1 将十进数(1.5)以IEEE 754单精度浮点表示解：浮点表

14、示可将二进制的 S,E,M 依次拼接而得 N(1)1 2 0 1.1 得 S=1,E127,M100000（22个0）1.5 表示为IEEE 754 单精度浮点数是：1 01111111例2 已知单精度浮点数,求其十进制表示。浮点数为：1 10000001解：S=1,E129,M0.25,代入公式 N(1)S2E1271.M 得 N 5,2.2 高级数据表示,2.2 高级数据表示（P47）.数据表示分两大类：1)基本数据表示：从数学概念引申而来，如定点数 据表示，浮点数据表示，逻辑数据表示，二进制 数据表示，十进制数据表示，等等。3 2)高级数据表示：由基本数据表示经构造而成,目 的在于使机器

15、对数据结构提供支持,以缩小计算 机高级语言和机机器语言间的语义差距。.我们介绍高级数据表示的：自定义数据表示,向量数据表示,堆栈数据表示.,自定义表示,自定义数据表示.为克服语义差距,减少编译工作量,引入“自定义 数据类型”,试图把不同类型的同种运算指令统一。.这里介绍两种自定义的数据表示：1)对于一般数据，在数据前面增加一个标志(Tag)就构成“带标志符的数据表示”2)对于性质相同的数据块，用一个字作为描述符，构成“数据块的描述符表示法”或Descriptor 就构成自定义数据表示。称为通用化指令(涵盖所有数据类型).,a)带标志符的数据表示 数据前面有“标志符”(Tag)的数据,a 带ta

16、g的表示,Tag,Data,.不同用途数据的区别含于 Tag 中,Tag 指明数据的 功能。对数值数据,Tag 指明数值的类型和其他细 节。对指令而言,指令种类是大大的减少了。.带 Tag 的数据由 系统软件 和 高级语言的编译器建 立,对程序员和用户是透明的。,.不论数值数据,指针,指令,控制字，格式统一为：,b)带标志符(tag)的数据格式：,b 带tag的格式,FC,D A T A,Trap,Type,P,操作数,指 令,地 址,控制字,R/RW,捕捉方式,只读或读写,16种数据类型,奇偶校验,图2.5 R-2 计算机 Tag 功能说明,2,2,1,4,1,标志符,数据,带tag 优与疑

17、,.c)带标志的数据表示有以下优点:（P51）1)数据类型一致了,便于一致性检验。2)大大简化了指令 3)简化系统程序和编译程序的设计 4)方便调试和开发,5)支持DBS实现“与数据类型无关”的需求.d)带标志的数据表示有以下质疑讨论:1)存储空间节约了吗?2)指令执行速度提高了吗?3)硬件设计的复杂程度如何?,2)描述符表示法,2.Descriptors,在结构型数据,一个数据块有成百上千个数据,如果每个数据都用 Tag 说明,就太繁琐、太浪费了。于是人们把 Tag 单独作一个字,称为描述符 Descriptor，描述符 放在数据块的最前面。,2)Burroughs公司率先使用描述符，格式如

18、下,2.Descriptors,图2.8 B-6700 数据描述符表示法（P50）,数据块中的描述符,数据块中的一个数值数据,8位,20位,20位,3位,48位,3位,图2.9 P51,操作码,图2.9 通过描述符,的取指操作,Y,X,101,101,101,000,B,000,000,A,101,101,地址形成逻辑,数据块,数据块,000,图2.10,图2.10 用描述符描述二维数组,000,a21,101,S1,2,101,S2,2,101,S3,2,101,S3,3,000,a22,000,a31,000,a32,000,a11,000,a12,32二维数A祖,三元素向量,向量数据表示

19、 P52,向量,要计算向量 Ci A i+B i8 在标量机通常用高级语言 如：for(i=4;i=11；i+)C(i)=A(i)+B(i8)在编译后借助变址操作实现，各条指令顺序 执行。为了实现 for 的全部功能 可设置如下“向量加”指令,向量指令 P53 C(4:11)A(4:11)+B(-4:3),向量,区段寄存器X,放A的位移量,区段寄存器Y,放B的位移量,A向量的基址及长度,B向量的基址及长度,区段寄存器Z,放C的位移量,C向量的基址及长度,向量加,A,Y,B,Z,C,操作码,向量起始地址s=基址b+位移量d，向量的有效长度e=向量长度位移量d,向量Ci=Ai+Bi,A11,A10

20、,A9,A8,A7,A6,A5,A4,A3,A2,A1,A0,C11,C10,C9,C8,C7,C6,C5,C4,C3,C2,C1,C0,B3,B2,B1,B0,B-1,B-2,B-3,B-4,基址A,始址A,基址Bb,基址C,位移量Ad=4,有效长度Ae=11-4,向量长度Av,源向量A,源向量B,结果向量C,始址B,始址C,向量起始地址s=基址b+位移量d，向量的有效长度e=向量长度位移量d,C(4:11)A(4:11)+B(-4:3),堆栈数据表示 P54,堆栈（1）,.堆栈(Stack)从硬件角度看是一种存储结构。.从软件角度看，堆栈是一种后进先出的表,如同 弹夹。堆栈只有一个数据出入

21、的端口。.堆栈数据操作的特点是指令只需指出是什么操作,无需指出操作数地址。.存储器堆栈在主存,栈底固定栈顶浮动,堆栈指 针指向栈顶,数据存取在栈顶单元进行,速度慢。.寄存器堆栈没有堆栈指针,栈顶固定,栈底浮动,数据存取在栈顶单元进行，速度快。,堆栈数据表示,堆栈（2）,.堆栈型数据表示对复杂的算术表达式的求解比较 方便；将算术表达式转换为逆波兰式表示法，在 堆栈上进行运算，可以缩短计算程序。.堆栈型数据表示支持子程序调用、中断、嵌套和 递归，广泛高级语言编译及程序调用技术。.现代计算机一般都设计有堆栈数据表示。.具有堆栈型数据表示,且以面向堆栈寻址方式为 主的计算机称“堆栈型计算机”。,3.11作业：P87 2.2P88 2.7（1）、（2）2.8（3）、（4）2.10、2.11,