《指令格式的优化设计.docVIP

指令格式的优化设计 指令格式的优化设计的目的是用最短的二进制位数表示指令的操作信息和地址信息，使指令的平均字长最短。指令格式的优化设计，首先根据指令集各指令的使用频度的分布{Pi}对操作码进行优化设计，然后对地址码和寻址方式的表示采取优化措施，使指令格式达到优化。经过优化设计的指令集减少了程序的总位数，减少了程序运行的时空开销，从而提高了系统的性能。 我们首先讨论操作码的优化编码方法，然后讨论寻址技术，最后，在操作码和地址码优化表示的基础上，说明指令格式的优化设计。 一、操作码的优化设计 1、操作码优化编码的方法 操作码优化编码的方法有三种：定长编码、哈夫曼编码和扩展编码。 定长编码：是指所有指令的操作码长度都是相等的。如果有n个需要编码的操作码，定长操作码的位数最少需要log2n位。 哈夫曼编码：用哈夫曼方法构造哈夫曼树进行编码。构造哈夫曼树的方法是：每次从指令集中选出两个使用频度最小的指令，将其频度相加，形成一个节点，称为父节点，将新生成的父节点放到结点集中，从新的节点集中再选两个使用频度最少的节点生成一个新的父节点，直至节点集成为空集，就生成了一棵哈夫曼树。每个节点的两个分支节点，称为节点，用0和1标识，上面的节点称根节点，下面的节点称为叶节点。从最上面的根节点到一个叶节点的路径(由0和1组成的序列)就是这个叶节点的哈夫曼编码。 由于哈夫曼编码的码长种类较多。既不利于硬件对操作码的译码，也很难与地址码配合形成长度规整的指令格式。因此，实用的操作码编码一般不采用哈夫曼编码而采用扩展编码的方法。 扩展编码：限定使用少数几种长度码长，使用频度高的码点用短码表示，使用频度低的码点用长码表示。特别需要指出的是，不是所有的短码都可以作为长码的前缀，即不是任何短码都可以是任何长码的若干位。否则，编码将会不唯一。所以，要留下若干个短码作为长码的扩展标志，以便长码在扩展编码时使用。这是扩展编码“扩展”一词的含义。 扩展编码的两种表示方法。 1）码长表示法，用短横线前后的数字分别表示短码码长和长码码长，例如，2-4-6表示指令操作码的长度有三种，分别是2位、4位、6位。（没有表示三种长度的编码各有多少个码点）。 2）码点数表示法，用斜线前后的数字分别表示短码码点的个数和长码码点的个数，例如，3/4/6表示有三种码长，最短码长的码点个数是3，最长码长的码点个数是4，三种码点的总数是13。（没有表示各个码点数的码长是多少）。 2、操作码优化编码的评价方法 (1)用平均码长评价编码优化的程度，平均码长为