《计算机系统结构》课件（单博炜）第1、2章 计算机系统结构导论、指令系统.ppt

本章将介绍数据表示 寻址方式指令系统讨论在计算机系统结构设计中如何给程序设计者提供合理的机器级界面，以及指令系统的改进对计算机系统结构产生的影响及其发展趋势数据表示数据表示：指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。数据表示直接与计算机的数据处理部件相对应，当机器定义了某种数据类型的运算指令并设置了相应的处理硬件，能够直接对这种类型的数据进行处理时，机器就具有了该类型的数据表示。和数据结构的关系数据结构研究的是实际应用中所要用到的各种数据元素或信息单元之间的结构关系。常见的数据结构有标量、向量、串、队、栈、阵列、链表、树、图等。数据结构不一定能被机器直接识别和处理，但可通过软件映像，将其变换成机器中所具有的各种数据表示来实现。因此，数据表示是数据结构的子集，机器具有不同的数据表示就可以为数据结构的实现提供不同程度的支持，故数据结构和数据表示是机器软、硬件的交界面。在机器中如何进行软、硬功能的分配，合理设置数据表示，以得到对应用中遇到的数据结构有较高的实现效率等问题，是计算机系统结构设计研究的内容。数据表示例子早期的机器只有定点教据表示。随着计算机技术的发展和机器功能的不断提高，现在逻辑（布尔）数、定点数（整数）、浮点数（实数）、十进制数、字符串等，都已成为计算机的基本数据表示。一般计算机的数据字长有8位、16位、32位等。计算机的指令系统可支持对字节（8位）、半字（16位）、单字（32位）和双字（64位）的运算。变址操作的设置为向量、阵列数据结构的实现提供了直接支持，可以不必修改程序，仅用循环的办法就能实现对整个向量、阵列的各个元素进行运算处理。然而，目前计算机系统中存储器一维顺序存储的线性结构与数据结构中经常要求的多维离散结构仍存在很大差距，不利于数据结构的实现。而且数据结构的发展总是领先于机器的数据表示，根据实现数据结构的需要来设计和改进系统结构成为我们的重要任务。在计算机中确定数据表示，应从其能否提高运算速度、能否减少CPU与主存间的通信量和系统开销，以及它的通用性和利用率等各种因素加以综合考虑。下面讨论一下计算机中的几种高级数据表示。高级数据表示自定义数据表示向量、数组数据表示1.自定义数据类型对于处理运算符和数据类型的关系，高级语言和机器语言的差别很大。高级语言用类型说明语句指明数据的类型，让数据类型直接与数据本身联系在一起，运算符对不同类型的数据是通用的。传统的机器语言中对数据没有类型说明，而使用不同的指令操作码区分对不同类型数据的操作。编译时要把高级语言程序中的数据类型说明语句和运算符变换成机器语言中不同类型指令的操作码，并验证操作数类型的合法性，这会增加编译的负担。为了在数据表示上缩短高级语言与机器语言的语义差距，可采用自定义数据表示。带标志符的数据表示定义每个数据由类型标志位和数据值两部分组成，用类型标志位指明数据值部分究竟是二进制整数、十进制整数、浮点数、字符串，还是地址字，将数据类型与数据本身直接联系在一起。这样，机器语言中的操作码可以同高级语言中的运算符一样，对各种数据类型的操作可以通用。我们称这种数据表示为带标志符的数据表示。标志符由编译程序建立，对高级语言程序来说是透明的，以减轻应用程序员的负担。优点采用标志符数据表示的机器，具有简化指令系统和裎序设计、简化编译程序及编译过程、方便实现一致性校验、能够用硬件自动完成数据类型转换以及支持数据库系统的实现与数据类型无关的要求等优点。数据描述符对于向量、数组、记录这类每个元素都具有相同属性的数据，可定义一个数据描述符来说明其共同的类型信息。数据描述符和标志符的差别在于：标志符与每个数据相连，共同存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征；描述符则与数据分开存放，用来描述所要访问的数据是整块数据还是单个数据、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。标志符与数据一同出现在程序中并同时被访问，而采用数据描述符时程序中只出现描述符，只有当描述符被访问时才根据其中的信息形成操作数地址，然后再访问数据。2.向量、数组数据表示向量、数组数据表示是为支持向量、数组数据结构的实现和快速运算而设置的。在具有向量、数组数据表示的向量处理机中，硬件上设置有以流水或阵列方式处理的高速运算器，而其指令系统中则包含功能丰富的向量或阵列运算指令。只需一条如下的向量运算指令就可以方便地实现诸如 ci=ai+5+bi，i=10，11，…，1000的向量运算功能。指令中源向量A、B及结果向量C的向量参数包括其基地址、位移量、向量长度和向量元素步距等参数。优点用一条向量、数组指令同时实现对整个向量、数组的高速处理，同时编译程序也得到简化。3.堆栈数据表示为了能高效实现编译和子程