第2章 数据表示与指令系统性能分析[详细讲解].pptVIP

1 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 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 本章学习要求 本章要点：机器的数据表示，特别是浮点数据表示；指令格式的优化设计技术；RISC的关键技术。 指令系统和数据表示是计算机系统结构的主要属性。 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 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 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 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 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 浮点数的一般格式：对任意浮点数N，可表示为： 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： 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。 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： 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rm1＝2，尾数长度p1，阶码长度q1，二进制字长： L1＝p1+q1+2 浮点数表示方式F2：尾数基值rm2＝2k，尾数长度p2，阶码长度q2，二进制字长： L2＝kp2+q2+2 将上式代入p1+q1=kp2+q2可得： F1的表数精度是(由教材公式2.2得)： 由上式可见，只有当K=1(rm=2)或K=2(rm=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 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, rm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） 双精度格式: S(符号1位) E(阶码11位) M(尾数52位) 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 特殊数 1 代表: 1-127=-126 …… 规格化数 254 代表: 254-127=127 特殊数 M: 尾数, 原码表示的纯小数(规格化,隐含1) 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 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。 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 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 查表舍入法 用ROM或PLA存放