体系结构要点知识系列二：数据表示、寻址方式与指令系统

 

一、数据表示

1、数据类型：指一组数据值的集合以及可作用于这个集合上得操作集。

数据结构：是面向软件的数据类型，反映结构数据类型逻辑结构和物理结构间的关系。

数据表示：指能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。其实质是软硬件的取舍。

2、数据表示与数据结构的关系：数据表示是数据结构的一个子集；不同的数据表示为数据结构提供不同的支持，数据结构通过软件映像变换成机器的数据表示；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部分。

3、数据表示有：自定义数据表示、向量数组数据表示、堆栈数据表示。其中自定义数据又有下述两种：a、标志符数据表示：用以定义单个数据的数据类型和数值的数据表示；b、数据描述符：用以定义复杂数据结构的数据表示，如向量、矩阵、多维数组、记录等。

4、确定机器数据表示的原则：a、看系统效率是否提高，即是否减少了实现时间和存储时间(实现时间是否减少又主要看在主存和处理机之间传送的信息量是否减少)；b、看引入这种数据表示后其通用性和利用率是否提高。

5、浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择

a、尾数基数Y_m取大，会扩大浮点数的表示范围，增加可表示数的个数，减少移位次数，降低右移造成的精度损失和提高运算速度，但会降低数据的表示精度，数值的分布变稀。

b、下溢处理方法。

截断法：实现简单，不增加硬件，不需要处理时间；但是最大误差较大，平均误差大且无法调节，所以很少使用。

舍入法：在机器运算的规定字长之外增设一位附加位，存放溢出部分的最高位，每当进行尾数下溢处理时，将附加位加1，该方法最大误差小，平均误差接近于0，不过处理速度慢，产生进位时间。

恒置1法：将机器运算的规定字长之最低位恒置为“1”，该方法最大误差最大，比截断法的最大误差还要大，但其平均误差趋于0，多用于中高速机。

查表舍入法：用ROM或PLA存放下溢处理表，下溢处理表的内容安排成当尾数最低K-1位为全“1”时以截断法设置处理结果，即输出K-1位的全“1”，其余情况按舍入法设置下溢处理结果。

6、单精度格式(32位)

eg1：N = -1.5，求它的IEEE单精度浮点格式。

解：因为 N= -1.5 = (-1)^S·2^E-127·(1.M)  则 s = 1，E = 127， M = 0.5，则它的IEEE单精度浮点格式的二进制形式为1 01111111 10~0(22个0)

eg2：将1 10000001 010~0转换为十进制。

解：由题目可知s=1，E=129，M=0.25，则 N =  (-1)¹·2^129-127·(1.25) = -5.

二、寻址方式

多数计算机都将主存、寄存器、堆栈分类编址，分别有面向主存、寄存器和堆栈的寻址方式。(须注意：逻辑地址是程序员编程用的地址)

信息在存储器中存放的地址必须是按整数边界存储，这种方式保证了访问速度，但是造成了存储空间的浪费。

字节信息地址为******

半字信息地址为*****0

单字信息地址为****00

双字信息地址为***000

三、指令系统

指令类型分为非特权和特权型两类。指令是由操作码和地址码两部分组成。指令系统应该具备：规整性、对称性、独立性和全能性、正交性、可组合性、可扩充性、指令码密度适中、兼容性、适应性。

指令格式的优化是指如何用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。研究操作码的优化表示是为了缩短指令字长，减少程序总位数及增加指令字能表示的操作信息和地址信息。

指令系统集结构有三种：堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构。

按CISC方向发展和改进指令系统可以从面向目标程序、面向高级语言、面向操作系统的优化实现三个方面来着手。

设计RISC结构采用的基本技术是：逻辑实现采用硬联和微程序相结合；在CPU中设置大量工作寄存器并采用重叠寄存器窗口。

编码方式有三种：二进制编码、哈弗曼编码、扩展操作码编码。扩展操作码编码是介于定长二进制编码和全哈弗曼编码之间的一种编码方式，操作码长度不是定长的，但只有有限几种码长。扩展操作码也须遵守短码不能是长码的前缀，扩展操作码的编码不唯一，平均码长也不唯一，问题是要找出一种平均码长尽可能短，又能使码长种类数不能过多，便于优化实现的方案。

哈弗曼算法要点巩固：

利用哈弗曼算法的前提：各种事件发生的概率不等。

由于哈弗曼编码中的短码不可能是长码的前缀，从而保证了解码的唯一性和实时性。

哈弗曼编码并不唯一，但只要采用全哈弗曼编码，操作码的平均码长必定唯一，而是是可用二进制位编码平均码长最短的编码。

哈弗曼压缩思想：高概率的用短码；低概率的用长码。