[计算机系统结构]指令系统

指令系统,寻址方式,内存映射,大端小端,哈夫曼编码,单地址指令,两地址指令

寄存器寻址、立即值寻址、偏移寻址、寄存器间接寻址、索引寻址、直接寻址或绝对对寻址、存储器间接寻址、自增寻址、自减寻址、缩放寻址、

寻址技术

编址方式

编址方式: 对各种存储设备进行编码的方法

编址单位: 字编址,字节编址,位编址,块编址

寻址方式

寻址方式:指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。

寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。
对于存储器操作数来说,由寻址方式确定的存储器地址称为有效地址。

  • <-:赋值操作
  • Mem:存储器
  • Regs:寄存器组
  • 方括号:表示内容
    • Mem[ ]:存储器的内容
    • Regs[ ]:寄存器的内容
    • Mem[Regs[R1]]:以寄存器R1中的内容作为地址的存储器单元中的内容

张晨曦 计算机系统结构教程 操作数寻址方式

定位方式

程序的主存物理地址方式什么时候确定,采用什么方法实现

主要的定位方式:

  • 直接定位方式:程序装入主存储器之前,指令和数据的主存物理地址就已经确定了
  • 静态定位:程序装入主存过程中进行地址变换
  • 动态定位:程序执行过程中,访问到对应指令或数据才进行地址变换

指令格式的优化设计

目标: 节省程序的存储空间,指令格式尽量规整,便于译码

指令组成

操作码和地址码

地址码包含:

  • 地址:地址码,立即数,寄存器
  • 地址的附加信息:偏移量,块长度
  • 寻址方式

操作码的优化设计:节省程序存储空间

优化方式:固定长度、Huffman编码、扩展编码

固定长度操作码

规整,译码简单,

但浪费信息量

Huffman编码

操作码的最短平均长度 $$H = -\sum_{i=1}^np_i * \log_2p_i$$ 其中$p_i$表示第$i$种操作码在程序中出现的频率

地址码的优化设计

指令格式优化设计

计算机系统的性能评价

时钟频率

指令执行速度

一种经典的表示运算速度的方法

MIPS(Million Instructions Per Second), GIPS, TIPS

$$MIPS = \frac{指令条数}{执行时间\times 10^6} = \frac{Fz}{CPI} = IPC \times Fz$$

其中:

  • Fz为处理机的工作主频
  • CPI(Cycles Per Instruction)为每条指令所需的平均时钟周期数
  • IPC(Instruction Per Cycle)为每个时钟周期平均执行的指令条数

平均速度

核心程序法

峰值速度

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