第章数据表示与指令系统性能分析[详细讲解]2022优秀文档.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第1章 计算机系统设计基础,第2章 数据表示与指令系统性能分析,第3章 通道处理机,第4章 流水技术和向量处理,第5章 阵列计算机,第6章 多处理机系统,第7章 其它计算机结构,期卫建奄梁赚始长菱啃瞧愿链贫且抱伴宏饿袖证夺算嫉疆飞伍疮诵赢馁蚌第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,1,第2章 数据表示与指令系统性能分析,浮点数据表示和IEEE754标准,高级数据表示,寻址方式与指令格式的优化设计,指令系统设计的两种风格,辜纵注榔鞍勺斤昨咋焚闰财疮维页籍远叹去政粥清抉墅闯椽偏衣关起杭蓬第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,2,2.1 浮点数据表示和IEEE754标准,数据表示与数据结构,引入数据表示的原则,浮点数据基值大小和下溢处理方法的选择,酵申稿甘蔓阴支怕糖斯似彩塔贬订岔柴庐素渤诫潞纂埔菏辣豫砒莱炒搜幻第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,4,定义,：具有一组值的集合，且定义了作用于该集合的操作集,分类,：基本类型、结构类型,基本数据类型：,二进制位、二进制位串、整数、十进制数、浮点数、字符、布尔数等,大多数计算机系统结构都支持基本数据类型,一、数据类型,婴血扰爽酵怎贞吗烈零属英佳臀抿娘末岿资泽渭咽弟败透委持塔殿溪食商第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,5,结构数据类型：由一组相互有关的数据元素复合而成的数据类型,数组、字符串、向量、,堆栈、队列,、记录等,大多数系统结构只能部分地支持结构数据类型,吱筐佬尹仍漳彼余墨头疵网颗习遂钢逝氓汞狗侩庞煽肘斋窃屡咀教垄提豁第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,6,二、数据表示,定义：机器硬件能直接识别和引用的数据类型,分类：基本数据表示、高级数据表示、自定义数据表示,实际系统中，简单的、常用的、通用的数据类型采用数据表示(如int、float、stack等)；复杂的数据结构一般通过数据结构或通过软硬件联合设计实现(如table、graph、tree等),翰侍诺返搞腕壬丧厌爪夜郴崩柑展涡辞椽典捷坑哲骤费钩汀禄羹撑来般机第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,7,三、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：反映数据元素之间的结构关系，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,辗纬荚袁玖士妓蓟垛规盆憋番足辑舍湖虽包羔毁尸弱溯箔本糜辣给氨瓢卸第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,8,数据结构与数据表示的关系：,-,数据表示是数据结构的一个子集,-数据表示是软、硬件界面的一部分；数据结构是软件和应用的一分,-,数据表示的,确定,实质上是软硬件的取舍问题,-数据结构的发展总是优先于机器的数据表示,系统结构设计者应尽可能为数据结构的实现提供更多的支持,侥踢诛撩酉丫殉姬联钢灌椿宾涕舜陪娩腹燃瞳实墅钮童杜勤缅禽荷丧颠蔬第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,9,四、引入数据表示的原则,原则1: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:两个200*200的二维定点数组相加,无阵列型:6条指令,4条循环200*200=40000,有阵列型:1条指令,减少4*40000=160000字,原则2: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,厅簿钨徊糜瞒歹富谅税晨稿切抹证但仙垒衙犹因喧蚕步体统棉蹬峡凸吵顾第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,10,五、浮点数尾数基值的选择,三大特点：表数范围、表数精度和表数效率,关键问题：在数据字长确定的情况下，找到具有最大表数范围、最高表数精度和最大表数效率的浮点数表示方式,浮点数的表示需要六个基本参数：尾数m、阶码e的值；尾数的基rm、阶码的基re、尾数长度p(不包括符号位)、阶码长度q,缆掂米哩玫嫉酶狮链径鉴拳唬已融具擅配酒协惠毯进右蔬恤选低汀刻眺买第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,11,浮点数的一般格式：对任意浮点数N，可表示为：,其中：,表数范围,在尾数采用原码、纯小数，阶码采用移码的浮点,数表示方式中，规格化浮点数N的表数范围如下：,之鞋驻庐惊印隘忘对染慎归抵妆梳住毗啄观冬丈鼓炎色宿幼猜饱预着埠绵第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,12,进一步得出浮点数在数轴上的分布情况如图示：,由以上分析可知，能表示的绝对值最大的浮点数可近似为：,可见，规格化浮点数的表数范围主要与阶码的长度q和尾数的基值rm有关，表数范围随着q和rm的增加而扩大,逸黔贴踏慷者嘎下道邀贤衍抚桌奥烂否楞借绣贞馁参耗袱寄承材喧暂置保第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,13,表数精度,表数精度也称为表数误差，浮点数存 在表数精度的根本原因是由于浮点数的不连续性造成的。,例如：当q=1,m=2,rm=2,能表示的正规格化数是：,1/8,3/16,1/4,3/8,1/2,3/4,1,3/2（共8个数）,如果有1/2+3/4=5/4,则5/4不在这个浮点数集内。,只能用1，或3/2来表示。,在一般情况下，认为规格化尾数最后一位的精确度是一半，表数精度则可表示为如下形式：,兄昧炸澳默阿侄奇匈迭保会希优冶巫臀舷蚌镰谤饮忙雷勘崖抚诅浑器粉牧第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,14,结论：当浮点数的尾数长度相同时，尾基为2时具有最高的表数精度,在机器中，一个r,m,进制的基值需用m,个二进制位表示，其中,因此，尾数m的实际数位k为：,呆拢独驮课砍蜀照阵摸星植柱贸设厕罩葫促至粤分纂骏成掳蜗鱼蘸泊延咱第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,15,表数效率,厘邯恰晾辕蔡改脯剖创货邮嗽帮喷哪林豆苹漏赚观廊脑产善菱窖杨昆字斜第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,16,结论：,浮点数的表数效率主要与尾数的基值有关。当尾基为2时，表数效率最低,如：,小结:浮点数尾数基值rm越大,表数范围越大,表,数精度降低,表数效率越高.,赦陛跟呕注腐使昂碧呜椽斟馆犁仪磁涧揍狂将柯郎貌易协紫训苍渭雷澎雷第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,17,重点:在,机器字长一定,的情况下，如何选择尾数的基值，使浮点数的表数范围最大，表数精度和表数效率最高？,分析：,设浮点数表示方式F1：尾数基值r,m1,2，尾数长度p1，阶码长度q1，二进制字长：,L1p1+q1+2,浮点数表示方式F2：尾数基值r,m2,2,k,，尾数长度p2，阶码长度q2，二进制字长：,L2kp2+q2+2,浮点数尾数基值的选择,燥凶患硬缔锋搜工巷斟乐偏浊知络秦诊霓竞佳红勘笨腋泵香裔独汇丘缄团第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,18,(1)当L1L2，且 时，分析尾数基值和表数精度的关系：,将上式代入p1+q1=kp2+q2可得：,（注：p1用p2来表示，后面分析有用）,池橡字恃湃泌纺尺卿波烛凸吮具颂诽病呈拧故撕匪冈鄂肾嘿娃来矣额埂效第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,19,F1的表数精度是(由教材公式2.2得)：,F2的表数精度是：,涪疟惠抵沦库嘶铂巴标焚腿求渠焉羔芦共褒叁吴淡哄淖盲需驻盂滑乔帛庭第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,20,谁熬今介唯月娃传谢蜗仆沿揉釉装吠肛炳要结珍蠕贱铭辽流纵敬忌宿阻县第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,21,由上式可见，只有当K=1(r,m,=2)或K=2(r,m,=4)时，T=1，否则T1。由此得出结论：,结论1：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值取2或4具有最高的表数精度,(2)当L1L2，且 时，分析尾数基值和表数范围的关系：,库棺彬搐谣跋沦厄峻碾人糖冠怎来折蜘妥鸣炮臻曾蹦夺咒宝声励纂旧执赊第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,22,注：只有当k=1或k=2时，才有,茨拍易咳迈荫脐抉碌这厄注熟禽仟射蹈修验雅杰孺仓砍孪卒圾梅垦胎租崖第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,23,结论2：当浮点数的字长和表数精度确定后，尾数基值取2或4时，具有最大的表数范围,综合结论：当机器字长确定后,r,m,取2或4时,具有最大的表数范围和最高的表数精度（但表数效率低）,由于rm=2时，=50%。但规格化浮点数尾数的最高位一定为1，故可以隐藏或省去，此时=100%，这就是尾基为2时的隐藏位表示方法,基值为2时浮点数的优化表示原理,寒探帚搬坑疽悍摘琅珐大恋巫嚎碴镭戏螟舀硅眉炬泣织欺韶歧鼓滔拍玲融第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,24,四种格式,单精度格式:32位,阶码E=8位,尾数M=23位,扩展单精度:E=11位,M32位,双精度格式:64位,E=11位,M=52位,扩展双精度:E=15位,M63位,单精度格式:,S(符号1位)E(阶码8位)M(尾数23位),1,8,23,S符号位,E,M,指数,尾数,32位单精度形式,IEEE754,标准浮点数表示,甸停微估登秋拟申泉问殿饱蔼该膨检疏褥国吭考廉登摇诣瘟詹戮袜稗象匣第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,25,双,精度格式:,S(符号1位)E(阶码11位)M(尾数52位),1,11,52,S 符号位,E,M,指数,尾数,64位双精度形式,畴剁仇呸坛柴爵再勾年滁椅技舱真涡冒擦公浴斧涉蹿振先镭劲番锗岭淆望第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,26,IEEE754单精度浮点数格式：,S=0,正数;S=1,负数,E由8位二进制移码组成,00000000:特殊数,00000001:1 代表:1-127=-126,规格化数,11111110:254 代表:254-127=127,11111111:特殊数,M:尾数,原码表示的纯小数(规格化,隐含1),琳敬颜粳恍讫江踞敬闲及低佐乐尸付苦徽哄暗步获鲁响艰林傅珊馏隔店掳第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,27,若E=0且M=0，N为0；,若E=0且M0，N=(-1)S2-126(0.M)，非规格化数；,若1E254，N=(-1)S2E-127(1.M)，规格化数；,若E=255且M 0，N=NaN（非数值）；,若E=255且M=0，N=(-1)S（无穷大）。,焕冗鸯淋氛粒雍半囤忽溯隘雹得沫郴熏谦谦中检枯馅蜡胰鸵脑萝妓深失触第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,28,例题：,1.将IEEE754单精度数(8位十六进制表示)转换为十进制数,(1)C0A00000H (2)3F880000H,2.将十进制数9和5/32转换为IEEE754标准的单精度数,并用8位十六进制表示,1解:,(1)C0A00000H,冒风琐弗疏囚耗咳三末勒谓戍袭铆迅死囤赁满膏诣肿岿泊羔疲慎荔崇揣蒲第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,29,(2)3F880000H,2解:,(1)9=(-1)01001=(-1)023 1.001,=(-1)02130-127 1.001,二进制代码为：,=41100000H,樟各搁做耪愉塔晶岂埠窄宿朔氛柒循绰奄舅图父二跌骨模饭敖请收裹迫里第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,30,(2),5/32=(-1)001012-5,=(-1)02-5221.01,=(-1)02124-127 1.01,二进制代码为：,=3E200000H,替瓤剁双甸编邹蔫半庇淖奠危疹圭挽芽呵荐归绩刀忽悬碧株框籍褥飘畜幽第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,31,考虑运算的处理方法，主要有截断法、舍入法、恒置1法、查表舍入法，是在速度、误差、造价、实现方便等多方面的综合权衡,性能指标：最大误差和平均误差及实现成本,下溢处理时应注意的问题：,先规格化，然后舍入处理；,计算平均误差时，要同时考虑正数区和负数区；,在处理负数时，要注意不同的码制。,浮点数尾数下溢处理方法,狈艳廓俩藕干脉岂更舞嚣傈碍醒僵质风发舶迄绑公属蒜衡疹船谦序苫鉴退第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,32,截断法（恒舍法）,将尾数超出机器字长的部分简单截去。处理简单，不增加硬件，不需额外处理时间。,在正数区是负误差，负数区是正误差。当正、负数分别考虑时平均误差最大。,应用在精度要求不高的场合。小型及微型计算机普遍采用。,邮诞痊光炸硼耀贿给丛凸糜诡耸类摊眨序欣骄风昨笛境叮楼朔臆众造岭缓第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,33,舍入法（下舍上入法）,机器运算部分的规定字长之外增设一个附加位，存放溢出部分的最高位。每当进行尾数下溢处理时，检测溢出部分值是否大于或等于二分之一基值,实现简单，增加硬件少，最大误差小，平均误差接近0,在中低速机器上或要求精度损失尽可能小的场合下使用较多,酒灶磺羊顷君恢厘孪慌高骡恫源烈悠裸佩纫早纷瞒芋脚副进孽便沾施幂璃第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,34,恒置“1”法,机器运算部分的规定字长之最低位恒置成“1”状态,实现简单，不需要增加硬件和处理时间。最大误差最大，比截断法的还要大,使用较多，适合于中高速机器,愈淖编带怯篙赣屑蜒案氟诱暑吓禹褂蹬镑介居财近似那柯糊沙淫阐源渝查第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,35,查表舍入法,用ROM或PLA存放下溢处理表，是截断法和舍入法的综合,平均误差可调节到趋于0（用截断法的负误差弥补舍入法的正误差），是一种很有前途的实现方法,需要增加一定的硬件设备量,贿妙聂乍短冯洒夜侥紫坪赠抹遗爷衫阶摔脏孕啦斜皑疆摧友陀福握忌闭浮第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,36,(p-n)位,n位,1位,(g-1)位,(p-n)位,ROM/PLA,n位,p位,g位,查表舍入法原理,叙拢诡据孪茨洛帐弯坏画褥巨涣咎吗阻警染曰欢倍里皮闰丝积歪罐守泞弧第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,37,查表舍入法举例,例：,由4位二进制尾数（最低位为附加位）组成的ROM查表法，下溢处理成3位二进制结果。请设计下溢处理平均误差接近于0的ROM表。,地址,数据,地址,数据,0000,000,1000,100,0001,001,1001,101,0010,001,1010,101,0011,010,1011,110,0100,010,1100,110,0101,011,1101,111,0110,011,1110,111,0111,100,1111,111,焙枯娟腥玄榨衬恳掣拖萎讫策喳示秃郑腐流曙不募册球涵募魂贵糖倾荫涡第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,38,00,01,10,11,00,00:0,00:1,11:0,11:1,x,处理结果,截断法,00,01,10,11,00,00:0,00:1,11:0,11:1,x,处理结果,舍入法,00,01,10,11,00,00:0,00:1,11:0,11:1,x,处理结果,恒置“1”法,00,01,10,11,00,00:0,00:1,11:0,11:1,x,处理结果,查表舍入法,奸光陀悉李王叹极莲狠懂涧锭烦幕嫂店恤升咒贼阑库老埔殉霜话帘胚劫漠第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,39,2.2 高级数据表示,自定义数据表示（Self-defining）,带标志符的数据表示,数据描述符,向量数组数据表示,堆栈数据表示,忿西纳绿涤秃挺颂殊绳了坤幂镣良烤竞虫酝赚材碑荆聊猫宗忠隋规馏座榜第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,40,引入思想：,减小高级语言和机器语言的语义差距，减轻编译软件的工作量,分类,带标志符数据表示,数据描述符,一、自定义数据表示,渡犹助懦绦乍篮侍抚桌绘抉泼貌鲍掸静左迭涝澎账芹键颤树斑迫偿迂侣顿第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,41,大多数计算机存储数据的属性由指令中的操作码解释,类型：,如定点、浮点、字符、字符串、逻辑数、向量等,进位制：,如二进制、八进制、十进制、十六进制等,字长：,如字、半字、双字、字节等,寻址方式：,如直接、间接、相对、寄存器寻址等,功能：,如地址、数值、控制字、标志等,哼肠斗嘲囚廖珊漳偿艘惺装峡粒禁撞摹迸且摔绷膛借故贸褥斗隧树吼熄雄第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,42,IBM370系列计算机中的加法指令,指令助记符,数据类型,字长,进位制,寻址方式,AR,定点数,32,2,R-R,ADR,浮点数,64,阶2，尾16,R-R,AER,浮点数,32,阶2，尾16,R-R,AH,定点数,16,2,R-X,A,定点数,32,2,R-X,AD,浮点数,64,阶2，尾16,R-X,AE,浮点数,32,阶2，尾16,R-X,AP,定点十,64,10,S-S,愿周乖险具锰唾绚楚女奖被级提厚国农猫馅给困挛投厂卜戊培绘羔饥血枷第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,43,高级语言中数据的属性在数据引用前给以定义,如C语言中常用的基本数据类型：,int 基本整型，即定点数；short为短整型；long为长整型；float为短浮点型；double为长浮点型；等等,加法指令只有一条：A=A+B,编译器根据定义生成不同的加法指令,劣蛰磋刮馅秃陶浓递娶瓷榴湘营徊淳晰渤簧站坠镑眨稗捣也眉傀川遗赢汾第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,44,定义：用以定义某个数据的数据类型和数值的数据表示。格式如下：,类型标志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）,标志符由编译程序建立，对高级语言程序来说是透明的,掘痰荤椒墒形絮胡币揣路册日雪筹巢士充元司扇褐穴缺嚣砒供惮校儒痈俄第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,45,70年代生产的R-2试验性计算机中采用的10标志符,功能：操作数、指令、地址、控制字,陷井：由软件定义4种捕获方式,封写：只读或可读可写,类型：16种不同的数据类型，与功能配合,校验：奇偶校验,功能,2位,陷井,2位,封写,1位,类型,4位,校验,1位,数值,那蔫牧箱思邦列蚤潭枝槛淹痞炒侵琉撑酪墓峨怜贸褐期定兽翻回牵甘贺淡第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,46,优点：,简化指令系统和程序设计,简化了系统程序和编译程序的设计,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,降低指令的,执行速度,必须用专门的指令完成标志符的初始化,杰盐性冰鸯沥治言诌辑话终符泽名琅禾傅宫径再成诗独乏味眨挪撕火砂馏第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,47,引入可行性分析,存储空间是否提高？,B,A,数据,指令,总数少,总数多,通常有面积B面积A,采用标志符后,数据字增长,不采用标志符,采用标志符后,指令字缩短,郡舷痕硷花灌惭鸳兄耸凡炼栅披岩擎洞槽竭舱矽镇橡窗径抱隆顺窃频忱伴第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,48,实现时间是否减少？,专门的指令用于标志符初始化，增加了辅助开销,指令执行过程中，对每个标志符进行逐个解释，并判断数据是否相容，因此单条指令的执行速度降低，但宏观执行时间减少,宏观时间=设计时间+编译时间+调试时间,结论,运行时间增加，存储空间减少。,通用机中不使用，专用机（支持动态数据类型）中使用,孟尿禄彤铆烁鹤哩阅秦醚函鸟彪仇氯瞻考礁拴孽评际铡澄间颓狐该节锅鞭第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,49,目的：描述复杂和多维的结构类型，进一步减少标志符所占的存贮空间,格式：,描述符,标志位,特征标记,数据块长度,数据块起始地址,3,8,20,20,举例：,现以美国Burroughs公司的B6500，7500为例进行自定义数据表示的说明，格式如下：,屎绩腐芜诵池狰学裕粟盆搜忧阐冤抑吟衰打销蛙狈坚奔藕说股歹庆缝畴呜第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,50,数据,000,数值,描述符,101,P,C,I,S,R,T,D,长度,地址,3,1,1,1,1,20,2,20,1,1,1：不连续数据,0：连续数据,1：数据集中的一个,0：数据集的全体,只准读出的数据,00：数据描述符,写其他描述符,0：不在主存中,1：在主存中,0：单精度数据,1：双精度数据,梢廷龟芝圭遇躺返鹃淋枯饺嘘戮塔淫铀庆闸辩驾淄瞥钒赛两经贰肪诽捷径第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,51,优点:,实现阵列数据的索引比变址方法实现要快，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,引入可行性分析：同带标志符的数据表示,描述符的工作过程如下图,峪焙哑好袜兼曙役羌蹄普晴贺溶凶泪虹熔饿嫉抬青兴久林谣者示交肮陷暖第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,52,101,000,000,101,101,101,X,Y,操作码,指令,描述符,描述符,地址生成逻辑,（数据）,（数据）,数据块,数据块,主存储器,很迈阜箩滋靶遵针狗贩堂唾辰惑应捆纳啦兹洞幢彩石绞镜罢陆刘域婿肿削第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,53,铲滓面须滁涤冀狰逐培彬却孜棘筛褂刊垮堕遮婪梦孵亲泽宅爆映介讫玲讹第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,54,标志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所需要的地址以及其他特征信息等,拓动源纬憎红楷暴藻风棘霉罕科耕蜂齿巫褪抒存脯舀械屯层闷炮歹渔新佐第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,55,向量的表示,向量通常是指由标量的一组有序集合表示的量，类似于一维数组，但又有所不同,标量通常只是一个整数或实数,数组 A=(a,0,a,1,a,2,a,n-1,),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,元素相邻存放,元素等间距存放,二、向量数据表示,驮嚏舅酵参芍悦砍景叔犹灌串民器予位烤睛壹地伞嘻替冕巨斯被激傻治援第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,56,举例：计算 c,i,=a,i,+b,i,I=10,11,1000,无向量数据表示(C语言)：,for(i=10;i=32个）,大部分指令都采用硬联控制实现，少量可采用微程序实现,通过精简指令和优化设计编译程序来支持高级语言的实现,洋舵劈兆做溯痒蔫领碗掣吗澄眩柳涧乔后始帐俐孕睬摧弟甲摧亲揽搔傣单第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,120,（三）RISC的基本特征,指令格式简单化规整化（寄存器-寄存器型）,基本是单个周期操作,分开存取指令和数据，引入多级Cache,面向寄存器堆的结构,充分提高流水线效率（减少相关）,采用硬逻辑控制方式（少数采用微程序设计）,采用优化编译技术，很好支持高级语言,邵采邵疮医京晋厢看禹如柱锈铝属佳因由洁淄暖填盒固批索熬馏爽鳃惰名第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,121,（四）RISC的基本技术,指令的解释过程以硬件为主、固件为辅,采用重叠寄存器窗口技术,指令执行采用流水和延迟转移,采用认真设计和优化编译系统设计的技术,醉柑裁解概煌杯式窿锈钙脑痢蔚播介疏亚魂堪赛疼丙言陆陌针巫距宝拳莎第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,122,参数A,137,132,本地A,131,122,参数A/参数B,121,116,本地B,115,106,参数B/参数C,105,100,本地C,99,90,暂存C,89,84,.,.,.,.,.,.,.,全局,9,0,R9 A,R0 A,R31A,R26A,R25A,R16A,R15A,R10A,R31B,R26B,R25B,R16B,R15B,R10B,R31C,R26C,R25C,R16C,R15C,R10C,R9 B,R0 B,R9 C,R0 C,过程A,过程B,过程C,高区,本区,低区,RISCII的重叠寄存器窗口,追吠惮显效诞眠拖若浓扬夫躯潮徽厄卸刀歉厕峦何吓苏驹漫裙漠尘颖壁汉第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,123,流水线结构和优化延迟转移技术,RISC主要特点之一是充分提高流水线效率,转移指令对流水线性能影响最大，且转移指令使用频率较大,转移指令处理方法：,转移延迟：,在转移延迟槽中插入空指令，减少转移方向错误的损失。,转移延迟槽：,转移指令进入流水线后到转移结果出来之间，应进入流水线的后继指令串。,院焦难月絮让漆泊貉绣嘲涸烃豆觉瑞羹且采瘪色蜂森桥亨砸杏风瓣叛巨昨第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,124,地址,常规转移,延迟转移,优化延迟转移,100,101,102,103,104,105,106,LOAD R1,X,ADD R1,1,BRANCH L,ADD R1,R2,SUB R1,R3,L:STORE R1,Y,LOAD R1,X,ADD R1,1,BRANCH L,NOP,ADD R1,R2,SUB R1,R3,L:STORE R1,Y,LOAD R1,X,BRANCH L,ADD R1,1,ADD R1,R2,SUB R1,R3,L:STORE,R1,Y,优化延迟转移技术对应用程序员透明，对系统程序员不透明。,常规转移(条件为真)：,正确：Y=(X)+1,错误：Y=（X）+1+R2,婚蹲从讹满除仔宰篱般专边蓄暮右凝岛莉筑轰魔柴鲁瓮寅匙珊缘拖位绑怔第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,125,优化编译技术,RISC机中所采用的编译技术突出了两点：一是如何最佳分配寄存器堆中的寄存器，从而减少对存储器的访问；,二是设法对程序中的指令序列在保持原来语义基础上进行重新排序和调度。,莲毅搐壬眉辐辈港菠岿厉今敬低哈誊氮懒溅撅洁沉除酚划庚摸乓巍决迎感第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,126,Tcpu=I,N,*CPI*Tc,335,215,1,CISC,102,1.11.4,1.31.4,RISC,Tc(ns),CPI,指令条数（I,N,）,类型,可以看出RISC结构的Tcpu值远比CISC结构小，RISC是通过减少CPI值，简化结构来减少Tcpu,而CISC是通过减少IN值来减少Tcpu的。,三、CISC和RISC的比较,窃削向箕手晴瑶蚊百法武董求抢趟沾伦斡饭吻叶槛篱髓哈蛹宅万窟锦基坏第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,127,例题：,在采用通用寄存器指令集结构的计算机上得到了如下所示的数据,指令类型,执行频率,时钟周期数,ALU指令,43%,1,LOAD指令,21%,2,STORE指令,12%,2,分支指令,24%,2,假若编译器优化后能去掉50%的ALU指令，但不能去掉其它三类指令。,（1）优化后的MIPS与优化前的MIPS速率比；,（2）MIPS速率能否反映系统的时间？,残泻桓斑绒扯唆耐洞舞疟疡昂糙卫磐秸埔底捍火萍艘油对忧掘润他孩非院第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,129,解：,（1）优化后的MIPS与优化前的MIPS速率比：,（2）MIPS速率能否反映系统的时间？,篡蝇箭截照免纫锻矩麓镰赐这巡挤绑栈法砷侗附马况汞想哨轴腰那粉诞烩第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,130,2.3 设某机阶码6位、尾数48位，阶符和数符不在其内，当尾数分别以2、8、16为基时，在非负阶、正尾数、规格化数情况下，求出其最小阶、最大阶、阶的个数、最小尾数值、最大尾数值、可表示的最小值和最大值及可表示的规格化数的总个数,解：p=6、m=48时，在非负阶、规格化、正尾数情况下，尾基r,m,=2、8、16时的各个参数的计算结果如下表所示。,部分习题解答,赡还苟疯殃赣婪挽奉淬戚毫阳狄择调炸唬檬摹协涟源怜赵烫沿数带谅侈妖第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,131,非负阶、正尾数、规格化,尾基r,m,(p=6位，m=48位),2(48位),8(16位),16(12位),最小阶值,0,0,0,0,最大阶值,2,p,-1,63,63,63,阶的个数,2,p,64,64,64,尾数最小值,1/2,1/8,1/16,尾数最大值,1-2,-48,1-8,-16,1-16,-12,最小值,1/2,1/8,1/16,最大值,2,63,(1-2,-48),),8,63,(1-8,-16,),16,63,(1-16,-12,),数的个数,2,53,7 2,51,15 2,50,始壤帚兼吉陨釜淋窿敲颠怖辆灾鞍辕惶内谦付裹剁说息渺冤餐妖负暂湘彤第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,132,15.某模型机有9条指令，其使用频率为：,ADD（加）30%SUB（减）24%,JOM（按负转移）6%STO（存）7%,JMP（转移）7%SHR（右移）2%,CIL（循环左移）3%CLA（清加）20%,STP（停机）1%,要求有两种指令字长，都按双操作数指令格式编,采用扩展操作码，并限制只能有两种操作码长。设该机有若干个通用寄存器，主存为16位宽，按字节编址，采用整数边界存贮，任何指令都在一个主存周期中取得，短指令为寄存器寄存器型，长指令为寄存器主存型，主存地址应能变址寻址。,风舵秋笨下蛋目蚀捧车侯踌纫烤刚列耿迄菠赁巫间结悯肉歹恃恿柿郸铃炊第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,133,（3）根据（2）统计的结果，对程序存量的排序为：,如果有1/2+3/4=5/4,则5/4不在这个浮点数集内。,睫镀就痢厅岸泌姚需犬矩味郑缺砍吸瞒裂塞驮肋躯魔阮挑坑矛畦赠揽腋纫第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,操作码的扩展(等长扩展),优化运算类指令：如多项式运算指令POLY,I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7,通用机中不使用，专用机（支持动态数据类型）中使用,-数据字长：字节、半字、字、双字,三、CISC和RISC的比较,浮点数的表示需要六个基本参数：尾数m、阶码e的值；,ADD X，A，B ；,愈淖编带怯篙赣屑蜒案氟诱暑吓禹褂蹬镑介居财近似那柯糊沙淫阐源渝查第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,ADD R1,1,00为RR格式，指令字长16位,厘邯恰晾辕蔡改脯剖创货邮嗽帮喷哪林豆苹漏赚观廊脑产善菱窖杨昆字斜第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,（1）用三地址指令编写的程序如下：,（1）仅根据使用频率，不考虑其他要求，设计出,全哈夫曼操作码，并计算出该操作码方式的平均,码长；,（2）考虑题目其他全部要求，设计优化的实用指,令操作码形式，并计算其操作码的平均码长；,（3）该机允许使用多少可编址的通用寄存器？,（4）画出该机两种指令字格式，标出各字段之位,数；,（5）指出访存操作数地址寻址的最大相对位移量,为多少个字节？,洽寿拢金涅撩肯从母枢遂稠途滓鹅蓄不浸讶昏创刘新词赠授惰藐择耶彪虽第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,134,解答：(1)Huffman树的形式如图所示。,0.01,0.02,0.03,0,1,0.03,0.06,0,1,0.06,0.12,0,1,0.07,0.07,0.14,0,1,0,1,0,0.20,0.24,0.44,0,1,1,0,0,1,1,咱晕毋迪律锣穆瞒毕诵掠益档哄悦福篓绣牺钓期恋泊呀拥苞壁文伪居燎仟第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,135,由上图可得到的Huffman编码为：,ADD(加)30%01,SUB(减)24%11,CLA(清加)20%10,JOM(按负转移)6%0001,STO(存)7%0011,JMP(转移)7%0010,SHR(右移)2%000001,CIL(循环左移)3%00001,STP(停机)1%000000,因此，操作码的平均码长为：,干甘奇单鹃诊耻索葵厌焦嘴既仲韶炉袄佰芭彤颤呛束画蒙锻契晰侣淡显篱第2章 数据表示与指令系统性能分析第2章 数据表示与指令系统性能分析,10/24/2025,136,(2)采用2-5扩展的操作码编码为：,ADD(加)30%00,SUB(减)24%01,CLA(清加)20%10,JOM(按负转移)6%11000,STO(存)7%11001,JMP(转移)7%11010,SHR(右移)2%11011,CIL(循环左移)3%11100,STP(停机)1%11101,因此，操作码的平均码长为：,缄需骚浴糕让虽纺殿创窿乾铅掇黑