計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（ComputerArchitecture）,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)=指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)+機器組成+,2020/4/26,1,指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),可編程存儲系統(tǒng)的組成數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：編碼和表示指令格式指令（或操作碼）集合對數(shù)據(jù)項和指令進行尋址和訪問的模式意外情況,2020/4/26,2,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義變化,五十年代六十年代:計算機算邏設(shè)計七十年代八十年代:指令系統(tǒng)設(shè)計,特別是針對編譯的ISA設(shè)計九十年代:CPU設(shè)計、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、多處理器、網(wǎng)絡(luò)等2005-:CPU設(shè)計、存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、多處理器、網(wǎng)絡(luò)、SoC等,2020/4/26,3,2020/4/26,4,2020/4/26,5,2020/4/26,6,2020/4/26,7,2020/4/26,8,2020/4/26,9,課程目的及特點,目的掌握處理器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)的基本知識學習計算機工程方法特點深入、具體MIPS與微電子專業(yè)緊密結(jié)合基礎(chǔ)知識要求計算機原理數(shù)字電路C語言,2020/4/26,10,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)及性能和成本數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)表示及指令系統(tǒng)的設(shè)計原理和風格流水技術(shù)和超標量技術(shù)存儲體系,課程簡介課程內(nèi)容,2020/4/26,11,計算機的發(fā)展歷史,1833年，英國數(shù)學家CharlesBabbage設(shè)計制造的“analyticalengine”,計算機與微處理器的發(fā)展歷史,著名詩人拜侖的女兒AdaLovelace曾受雇為這臺機器編寫軟件，她應該是世界上最早的程序員。,2020/4/26,12,微處理器的發(fā)展,計算機與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,13,微處理器的發(fā)展,計算機與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,14,微處理器的發(fā)展,VonNeumann曾預言整個美國只需要10臺計算機,計算機與微處理器的發(fā)展歷史,2020/4/26,15,計算機與處理器中的基本概念,前言,2020/4/26,16,二十世紀信息技術(shù)領(lǐng)域最重要的兩項發(fā)明,數(shù)字式電子計算機(1946.2.14).計算機開始補充，甚至替代所有其它形式的信息處理工具,晶體管(1946)和集成電路(1957).Moore定律:按每個芯片上的晶體管數(shù)量統(tǒng)計，集成電路每年的改進速度為60%。存儲容量遵從上述規(guī)律改進光傳輸線路遵從上述規(guī)律改進電話線遵從上述規(guī)律改進,2020/4/26,17,Moore定律,10G1G100M10M1M100K10K1K0.1K,1970,1980,1990,2000,2010,1965，GordonMoore預測半導體芯片上的晶體管數(shù)目每一年半翻兩番,2020/4/26,18,處理器每三年速度翻兩番；在過去15年，性能改進1000倍存儲器DRAM容量：三年速度翻兩番；在過去15年，容量增大1000倍每位成本：每年改進25%磁盤容量：>每1.5年翻一番每位成本：每年改進60%在過去十年，容量增大120倍最新的臺式PC配置處理器頻率：1.5GigaHertz存儲器容量：1.0GigaBytes磁盤容量：100GigaBytes(0.1TeraBytes)時髦的計量單位：Mega=>Giga,Giga=>Tera,計算機技術(shù)日新月異,2020/4/26,19,基本概念1：,為什么現(xiàn)在是64位處理器時代？處理器硬件的發(fā)展遵循MooresLaw軟件是處理器得以發(fā)展最重要的因數(shù)在新的處理器出來之前都要向軟件俯首稱臣！,2020/4/26,20,基本概念2：軟件,二進制：1000-1100-1010-0000匯編程序：AddAB高級語言：A+B編譯器（Compile）鏈接器（Link）操作系統(tǒng)（OS）應用軟件,2020/4/26,21,軟件分類,軟件,2020/4/26,22,計算機的5大組成部分,2020/4/26,23,基本概念-4：體系結(jié)構(gòu),計算機體系結(jié)構(gòu):硬件組成軟件指令體系結(jié)構(gòu)ComputerArchitecture:HardwareSoftwareInstructionSetArchitecture,2020/4/26,24,計算機組成和體系結(jié)構(gòu)區(qū)別,計算機體系結(jié)構(gòu)是指那些能夠被程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能性，包括指令集、數(shù)據(jù)類型、存儲器尋址技術(shù)、I/O機理等等，大都屬于抽象的屬性。計算機組成是指如何實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性。例如：一臺機器是否具備乘法指令的功能，這是一個結(jié)構(gòu)的問題，可是實現(xiàn)乘法指令采用什么方式的問題，則是一個組成問題。因此，兩臺機器指令系統(tǒng)相同時，只能認為他們具有相同的結(jié)構(gòu)，其組成方式可以完全不同。,2020/4/26,25,計算機組織與系統(tǒng)結(jié)構(gòu),計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述從用戶角度看到的計算機。（建筑設(shè)計師）指令集寄存器存儲器結(jié)構(gòu)中斷（異常）處理計算機組成：用戶不可見的處理器內(nèi)部實現(xiàn)方式（建筑工程師）流水線Cache總線,2020/4/26,26,處理器內(nèi)部總線MemoryIO軟件工藝.,計算機性能,2020/4/26,27,計算機的分類,巨型機（SuperComputer)大型機（Mainframe)小型機（MiniComputer)工作站（WorkStation)微機（PC）根據(jù)中國計算機學會主編的英漢計算機詞典的解釋，PC是指“由微處理器芯片裝成的，便于搬動而且不需維護的計算機”。,2020/4/26,28,計算機處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常指體系結(jié)構(gòu)ISA(InstructionSetArchitecture,指令集體系結(jié)構(gòu)，簡稱體系結(jié)構(gòu))和微體系結(jié)構(gòu)uA（Micro-Architecture）,ISA是處理器由程序員觀察處理器的屬性，也就是處理器的概念結(jié)構(gòu)與功能行為，定義計算機與軟件之間的接口，供操作系統(tǒng)、編譯程序以及匯編程序等的設(shè)計者使用,uA是指處理器內(nèi)部組織中各功能部件的特性、它們之間的互連方式、信息流性質(zhì)以及管理這些信息流的邏輯與實現(xiàn)SPARCstation-2和SPARCstation-20的區(qū)別：ISA相同,uA不同,2020/4/26,29,通用高性能Pentiums,Alphas,SPARC用于支持通用軟件重量級操作系統(tǒng)-UNIX,NT工作站、微機，以及大規(guī)模并行系統(tǒng)嵌入式微處理器和處理器核ARM,486SX,Hitachi,NECV800特定應用程序輕量級（通常要求實時）操作系統(tǒng)支持DSP移動電話、消費類電子(例如，STB、CDplayers)微控制器非常注重成本字長小通常為8位是目前使用數(shù)量最多的一類微處理器汽車、空調(diào)、高級微波爐，.,微處理器分類,2020/4/26,30,處理器技術(shù)發(fā)展趨勢,2020/4/26,31,研究微處理器技術(shù)不變的主題：速度(Performance)面積(Cost)功耗(Power)制造(Manufacture),2020/4/26,32,提高速度：流水技術(shù)（Pipeline),2020/4/26,33,提高速度：指令并行,SuperScaleOut-of-OrderRegisterRenameVLIWCompilermultiprocessormultithreaded,2020/4/26,34,Summary：每位微電子專家或工程師都要了解計算機的內(nèi)部機理,2020/4/26,35,計算機體系結(jié)構(gòu),所有的計算機都包含五個部件處理器:(1)數(shù)據(jù)通路datapath和(2)控制control(3)存儲器Memory(4)輸入設(shè)備和(5)輸出設(shè)備并非所有的存儲器都平等Cache:快速(昂貴)的存儲器處于接近處理器的地方主存:稍價廉的存儲器-我們可以大量使用輸入輸出(I/O)設(shè)備的組織比較雜亂速度差異大:圖形vs.鍵盤需求差異大:速度,標準,成本.等等.,2020/4/26,36,計算機系統(tǒng)的設(shè)計準則計算機性能計算機成本本章小結(jié),第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ),目錄,2020/4/26,37,一.幾個重要概念1.計算機系統(tǒng)按功能可劃分成多層次結(jié)構(gòu),計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,38,2.軟件和硬件兩者在實質(zhì)上是完全不同的，但他們的功能在邏輯上是等價的。兩者在實現(xiàn)時，將在性能價格比上以及實現(xiàn)難易程度上反映出不等價。3.具有相同功能的計算機系統(tǒng)，他們的軟、硬間的功能分配，可在很寬的范圍內(nèi)變化，因此軟、硬件的交界面是含糊，沒有明確的界定界線。4.透明性：一種本來存在的有差異的事物或?qū)傩?，從某種角度來看似乎不存在，稱為透明性現(xiàn)象。,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,39,二.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性，應包括以下幾個方面：1.指令系統(tǒng)2.數(shù)據(jù)表示3.操作數(shù)的尋址方式4.寄存器的構(gòu)成定義5.中斷機構(gòu)和例外條件6.存儲體系和管理7.I/O結(jié)構(gòu)，包括I/O設(shè)備的連接方式，處理機、存儲器與I/O設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳遞方式和格式、傳遞的數(shù)據(jù)量及傳遞操作結(jié)束的表示及出錯指示等。8.機器工作狀態(tài)的定義和切換9.信息保護，包括保護方式及有關(guān)的硬件支持等。,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,40,三.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)特性1.定義計算機系統(tǒng)的外特性是由硬件和固件來加以實現(xiàn)，他們本身也是由電路、邏輯門或寄存器傳輸級所組成，但這些組成的描述通常過于詳細，對他們的抽象便成為計算機系統(tǒng)的內(nèi)特性，也稱為計算機組成，它實際是計算機系統(tǒng)的邏輯實現(xiàn)。,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,41,2.計算機系統(tǒng)的內(nèi)特性所涉及的內(nèi)容計算機系統(tǒng)的內(nèi)特性所涉及的內(nèi)容包括機器級內(nèi)的數(shù)據(jù)流和控制流的組成和cpu內(nèi)部及主存等部件的邏輯設(shè)計。3.計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。包括：（1）處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)（2）器件的集成度和速度的確定（3）器件、模塊、插件、底板的劃分與連結(jié)（4）微機組裝及整機裝配技術(shù)（5）專用器件的設(shè)計及信號傳輸、電源、冷卻方法等,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2020/4/26,42,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,四.計算機系統(tǒng)的微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微外特性1.概念它是由微程序編寫者看到的計算機的外部特性邏輯結(jié)構(gòu)和功能能力，把它作為一個抽象級，可以定義硬件和固件（微代碼）之間的界面。,2020/4/26,43,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的含義,2.計算機內(nèi)、外特性與微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及寄存器傳輸級之間的關(guān)系,2020/4/26,44,按“流”分類1.概念Flynn教授在1966年提出的按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性概念進行分類的方法。（1）指令流指機器執(zhí)行的指令序列，數(shù)據(jù)流是指指令流所調(diào)用的數(shù)據(jù)序列（2）多倍性是指在機器中最受限制的部件上的處在同一執(zhí)行階段的可并行執(zhí)行的最多指令或數(shù)據(jù)個數(shù)。,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2020/4/26,45,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2.分類（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）（3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MIMD）,2020/4/26,46,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,3.Flynn分類法的缺點對于廣泛流行的標量及向量流水計算機應該屬于哪一類系統(tǒng)，不很明確。有的學者認為：流水機歸為SIMD有的學者認為：標量流水機視為SISD類型，而把向量流水視為SIMD類型,2020/4/26,47,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,二.馮氏分類法1.概念馮澤云于1972年提出用最大并行度對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類。最大并行度Pm：計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能處理的最大的二進制位數(shù)。字寬：在一個字中同時處理的二進制的位數(shù)。位片寬：一個位片中能處理的字數(shù)。,2020/4/26,48,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,2.四種不同分類（1）字串位串（第一代計算機發(fā)展初期）（2）字并位串（傳統(tǒng)并行單處理機）（3）字串位并（4）字并位并,2020/4/26,49,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類,三.按“并行級”和“流水線”分類1977年，Handler提出在計算機系統(tǒng)中的三個子系統(tǒng)級別上按并行程度及流水線處理程度進行分類的方法。三個層次為：（1）處理控制器（PCU）（2）算數(shù)邏輯部件（ALU）（3）位級電路（BLC）,2020/4/26,50,計算機系統(tǒng)的設(shè)計準則,2020/4/26,51,計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理,一.計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理1.只加速使用頻率高的部件（makethecommoncasefast）2.阿姆達爾（Amdahl）定律定義：阿姆達爾定律是指，系統(tǒng)中對某一部件采用某種更快執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率，或所占總執(zhí)行時間的比例。,性能加速比,2020/4/26,52,計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理,3.程序訪問的局部性規(guī)律（1）定義所謂程序訪問局部性是指程序執(zhí)行中，呈現(xiàn)出頻繁重新使用那些最近已被使用過的數(shù)據(jù)和指令的規(guī)律。（2）分類程序訪問局部性主要反映在時間和空間局部性兩個方面A）時間局部性是指程序中近期被訪問的信息項很可能馬上被再次訪問B）空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰的信息項很可能會被一起訪問。,2020/4/26,53,計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理,二.計算機系統(tǒng)設(shè)計者的主要任務1.滿足用戶功能上的要求以及相應的對價格和性能的要求2.在滿足功能要求基礎(chǔ)上，進行設(shè)計的優(yōu)化3.設(shè)計應能適應日后發(fā)展趨勢,2020/4/26,54,計算機系統(tǒng)設(shè)計的定量原理,三.軟件的發(fā)展趨勢1.程序所要求的存儲空間增長，大約每年增長1.5-2倍，相應相應要求地址位每年增長0.5-1位2.匯編語言被高級語言所替代，編譯技術(shù)將起到更大作用，因此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應能更好的支持編譯要求。,2020/4/26,55,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,一.計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的演變1.馮.諾依曼結(jié)構(gòu)存在以下缺點（1）存在兩個主要的瓶頸。一個是物理瓶頸，即在CPU和存儲器之間存在頻繁的信息交換，二是智能瓶頸，即每次只能順序的執(zhí)行一條指令。（2）低級的機器語言和高級的程序設(shè)計語言之間存在著巨大的語義差距（3）復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對象無法直接放到一維線性地址空間存儲器中，必須經(jīng)過地址映射,2020/4/26,56,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2.改進的馮.諾依曼機特點重要的幾點：（1）采用虛擬存儲器，方便了高級語言編程（2）采用存儲器交叉訪問技術(shù)以及無沖突并行存儲器，以加寬存儲器帶寬（3）采用流水技術(shù)（4）采用多功能部件,2020/4/26,57,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,3.RISC介紹RISC技術(shù)開創(chuàng)了一種全新的指令系統(tǒng)設(shè)計風格，追求平均每個機器周期可處理一條指令，到了80年代中、后期出現(xiàn)了新一代RISC計算機，出現(xiàn)像超標量，超常指令字以及超級流水等機器。,2020/4/26,58,簡單指令（RISC):20-80%原則,2020/4/26,59,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,二.軟件、應用和器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響1.軟件可移植性方法（1）采用模擬和仿真方法模擬方法是指，用軟件方法在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)仿真方法指，當宿主機本身采用微程序控制時，則對B機指令系統(tǒng)每條指令的解釋執(zhí)行可直接由A機中對應的一段微程序來實現(xiàn)，此時A機稱為宿主機，B機稱為目標機。（2）采用系列機方法(這是一種通過統(tǒng)一的機器語言來實現(xiàn)軟件移植的方法）（3）統(tǒng)一標準的高級語言（應用軟件，且是源程序一級的）,2020/4/26,60,計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展,2.應用需求對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響（1）高的運算速度（2）大的存儲容量（3）大的I/O吞吐率3.器件對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響器件是促使計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)展的最活躍因素（TTlCMOS，工藝改變等）,2020/4/26,61,軟件的表示層次,2020/4/26,62,為什么要評估性能,對于用戶，可以對比不同的產(chǎn)品，從而選擇適合自己的產(chǎn)品對于設(shè)計者，可以評價不同的設(shè)計、實現(xiàn)方案的優(yōu)劣，找出影響性能的主要因素，從而改進設(shè)計對于銷售計算機的商家,2020/4/26,63,性能的定義,2020/4/26,64,計算機性能的定義,響應時間(ResponseTime):從開始任務到任務結(jié)束所需要的時間吞吐率(Throughput):給定時間內(nèi)所完成的任務量,2020/4/26,65,響應時間與吞吐率的關(guān)系,2020/4/26,66,評估性能,衡量計算機性能（速度）最確切、最可信的標準是時間！我們這里所關(guān)心的是CPU時間，即完成特定任務所需的CPU執(zhí)行時間。,2020/4/26,67,時鐘周期,對于給定的程序：執(zhí)行時間=所需的時鐘周期數(shù)x時鐘周期=所需的時鐘周期數(shù)/時鐘頻率,設(shè)計者經(jīng)常面臨著時鐘周期數(shù)多少與時鐘周期長短的折衷問題。對于指定的處理器體系結(jié)構(gòu)，采用不同的組織，通常減少時鐘周期數(shù)的方案會導致時鐘周期加長，反之亦然。,2020/4/26,68,時鐘周期,對于給定的程序：時鐘周期數(shù)=所需的指令數(shù)x平均每條指令的時鐘周期數(shù)=,不同類型的指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)不同，例如乘法指令比加法指令所需的周期數(shù)多，浮點運算指令比整數(shù)運算指令所需的周期數(shù)多。平均每條指令的時鐘周數(shù)，Cyclesperinstruction簡稱CPI。,2020/4/26,69,CPU執(zhí)行時間,對于給定的程序：執(zhí)行時間=所需的指令數(shù)xCPIx時鐘周期,2020/4/26,70,其它不全面的性能度量方式,機器代碼大小,由于精確度量程序執(zhí)行時間非常困難，人們試圖找到不需測量執(zhí)行時間的性能度量方法，這些方法都只在特定的情況下有意義，并不能全面地、真實地反映計算機的性能。,2020/4/26,71,其它不全面的性能度量方式,MIPS(millioninstructionspersecond),從表面上看，越快的機器MIPS值越大；MIPS使用起來十分直觀，易理解，但MIPS并不能全面反映性能，有時甚至與真實情況相反！,2020/4/26,72,基準程序(benchmark),基準程序(benchmark):是挑選出來專門用于評價計算機性能的程序。,好的基準程序應該能涵蓋計算機實際應用中各個主要應用領(lǐng)域的程序的特征，使得測試結(jié)果能反映實際應用中的計算機的實際性能。（即：1.覆蓋面廣2.反映實際性能）,2020/4/26,73,基準程序(benchmark),2020/4/26,74,基準程序(benchmark),1988年，EETimes與SUN,MIPS,HP,Apollo,DEC聯(lián)合成立SPEC,尋找一組標準的程序，輸入數(shù)據(jù)，度量方法來公正地衡量不同系統(tǒng)的性能。,2020/4/26,75,SPEC,1989年第一版，10個程序，用一個數(shù)值來表示性能（相對于VAX11/780）SPEC92,6個整數(shù)，14個浮點程序SPEC95,8個整數(shù)，10個浮點程序一般3-5年更新一個版本SPEC2000,2020/4/26,76,SPEC,1989年第一版,2020/4/26,77,性能改進,2020/4/26,78,性能改進,2020/4/26,79,AmdahlsLaw（另一種表述）,例：假設(shè)一個程序在一臺機器上運行需要100秒，其中乘法指令執(zhí)行占80秒，那么，為了使執(zhí)行性能提高到原來的4倍，需要將乘法指令性能改進多少倍呢？如果要使執(zhí)行性能提高到原來的5倍呢？,2020/4/26,80,AmdahlsLaw（另一種表述）,Amdahl定律：執(zhí)行時間改進部分執(zhí)行時間改進后=-+執(zhí)行時間未改進部分改進比率加速比受程序中沒有改進部分的制約?；蛘呓忉尀椋嚎偟男阅芴岣呷Q于所改進部分在整體中所占的比例大小。,2020/4/26,81,哈工大微電子中心研制的Lilac,500thousandgatesdiearea4x4mm2329pinsoperatesat133MHz,2020/4/26,82,本章小結(jié),在所有的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特性中，指令系統(tǒng)的外特性是最關(guān)鍵的，因此計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有時就簡稱為指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行計算機系統(tǒng)設(shè)計時，應遵循的定量設(shè)計原則有：只加速使用頻率高的功能部件；系統(tǒng)受慢速部件約束以及訪問具有局部性。衡量計算機性能的最常用標準是時間和速度決定CPU性能的主要參數(shù)是時鐘（或速率）、每條指令所需平均時鐘周期數(shù)以及程序的指令數(shù),數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,$2.1數(shù)據(jù)類型一、概述1.數(shù)據(jù)分類（軟件的角度）（1）用戶定義的數(shù)據(jù)（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)（運行時間環(huán)境）（3）指令2.數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)類型除了是指一組值的集合外，還定義了可作用于這個集合上的操作集。例如：整數(shù)數(shù)據(jù)類型是指整數(shù)值集合與可作用于該整數(shù)值集合的算術(shù)操作集合的合成。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,二、基本數(shù)據(jù)類型1.二進制位及其位串2.整數(shù)及自然數(shù)（正整數(shù)）3.實數(shù)（浮點數(shù)）4.字符和布爾數(shù)三、結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型1.定義結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型是一組由相互有關(guān)的數(shù)據(jù)元素復合而成的數(shù)據(jù)類型。例如：向量和數(shù)組、字符串、堆棧、隊列和記錄等都屬于這類結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,$2.2數(shù)據(jù)表示一、數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)系1.定義（1）數(shù)據(jù)表示是指可由硬件直接辨認的數(shù)據(jù)類型（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)類型的組織方式，它反映了在應用中所用到的各種數(shù)據(jù)元素或信息單元間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。例如：常用的向量、表、樹、隊列和矩陣等均是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種形式，通常計算機硬件是無法直接識別這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，他們必須變換成數(shù)據(jù)表示方可為計算機所識別。2.區(qū)別數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所研究的課題是如何用最少的存儲空間來存儲這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及采用什么樣的算法能最快、最簡單地存儲和訪問它們。數(shù)據(jù)表示要考慮的是正確、可靠、便于機器處理和節(jié)省存儲空間。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,二、二進制的定點、浮點數(shù)據(jù)表示1.二進制定點數(shù)據(jù)表示形式（1）符號數(shù)值（2）反碼（3）補碼（4）帶偏移增值碼注：其中最常用的是補碼形式,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,2.二進制浮點表示（1）IEEE754標準介紹IEEE754標準是IEEE于1985年公布并1990年審核的浮點數(shù)標準。在此標準公布前，不同計算機公司設(shè)計的計算機在浮點數(shù)的處理方面均按照各自的規(guī)范進行設(shè)計，比如在字長、精度、舍入方式等等存在很大的差異。IEEE754的出現(xiàn)在一定程度上規(guī)范了計算機浮點運算單元的設(shè)計規(guī)則。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）浮點數(shù)的表示方法(二進制)(-1)S2E(b0.b1b2b3b4bp-1)S：Sign-bit0or1E:Exponentbi:0or1b1b2b3b4bp-1小數(shù)部分(fraction),數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,單精度浮點數(shù)存儲格式,雙精度浮點數(shù)存儲格式,尾數(shù)f=b1b2b3b4bp-1b0為隱含位，那么b0是如何表示的呢？,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,指數(shù)偏移量BWhybiasedformat?當真值用補碼表示時，由于符號位和數(shù)值部分一起編碼，很難從補碼的形式上直接判斷其真值的大小。如：X=21，對應的二進制數(shù)為+10101，則x補=010101；X=-21，對應的二進制數(shù)為-10101，則x補=110101；從形式上看，會得出110101>010101,其實恰恰相反。若對每個真值加上一個2(n-1)-1,情況就發(fā)生了變化：X=010101加上25-1可得010101+011111=110100；X=110101加上25-1可得110101+011111=010100；比較可得，110100>010100。這樣，從代碼本身就可看出真值得大小。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,指數(shù)偏移量BWhy127?127=2(8-1)-1.e=E+B0<e<2550127255-1270128對雙精度而言，偏移量為：2(11-1)-1=1023.,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,規(guī)格化數(shù)(NormalizedNumber)：偏移指數(shù)e的二進制位不全為0,也不全為1的浮點數(shù)為規(guī)格化數(shù)。E=e-B此時f表示為：f=1.F；IEEE標準規(guī)定此時小數(shù)點左側(cè)的隱含位b0為1。非規(guī)格化數(shù)(DenormalizedNumber)：偏移指數(shù)的二進制位全部為0的浮點數(shù)為非規(guī)格化數(shù)。此時e，f的計算都非常簡單:E=1-bias;f=0.F;注:此時小數(shù)點左側(cè)的隱含位b0為0。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,為什么E會等于(1-bias)而不是(-bias)，這主要是為規(guī)格化數(shù)值、非規(guī)格化數(shù)值之間的平滑過渡設(shè)計的。有了非規(guī)格化形式，我們就可以表示0了。把符號位S值1,其余所有位均置0后，我們得到了-0.0;同理，把所有位均置0,則得到+0.0。非規(guī)格化數(shù)還有其他用途，比如表示非常接近0的小數(shù)，而且這些小數(shù)均勻地接近0,稱為“逐漸下溢(graduallyunderflow)”屬性。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,特殊數(shù)值：當e的二進制位全為1時為特殊數(shù)值。此時，若F的二進制位全為0，則浮點數(shù)表示無窮大，若S為1則為-，若S為0則為+;此時，若F的二進制位不全為0，v稱為NaN(NotaNumber)，表示這不是一個合法實數(shù)或無窮，或者該數(shù)未經(jīng)初始化。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,V為8位的浮點數(shù)-7<E<80<e<15S1-bite4-bitf3-bit,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,Exception：IEEE754規(guī)定了5種異常情況：上溢(Overflow)，下溢(Underflow)，除以零(DivideByZero)，無效(Invalid)以及不確定(Inexact)。上溢，下溢異常情況在大多數(shù)系統(tǒng)是經(jīng)常發(fā)生的。以單精度為例，它的溢出有四種情況：正數(shù)大于(1-2（-24）)*2128的情況為正上溢。正數(shù)小于0.5*2（-127）的情況為正下溢。負數(shù)小于-(1-2（-24）)*2128的情況為負上溢。負數(shù)大于-0.5*2（-127）的情況為負下溢。無效異常時對應于一定的操作的，如：-1，-，0/0等，這時沒有任何浮點數(shù)或者這樣的自然值可以對結(jié)果進行表示。當其發(fā)生時，得到的結(jié)果是一個NaN。不確定異常是一種特殊的“異?！保荌EEE浮點運算所特有的，它是在運算結(jié)果必須舍入或當其上溢時發(fā)生,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,RoundingmodeIEEE754標準規(guī)定了四種舍入模式:就近舍入,零舍入，+舍入，-舍入。1.就近舍入:目標是使舍入結(jié)果盡可能接近實際值(0舍1入)。2.零舍入:通過截斷實際值的多余位來實現(xiàn)。3.+舍入:結(jié)果向正無窮大方向舍入。所有值被舍入到下一個可能值，負數(shù)的舍入結(jié)果將截去多余位，正數(shù)的舍入結(jié)果為下一個較大的有效值。4.-舍入:結(jié)果向負無窮大方向舍入。負數(shù)的舍入結(jié)果將為下一個較小的有效值，正數(shù)的舍入結(jié)果將截去多余位。,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,Roundingmodeexample,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,（2）,浮點數(shù)的表示方法（續(xù)）,實現(xiàn)方法b0bbbbbbbn-1bnRrounding-bitSstick-bitbs=|bbn-1bn就近舍入b+bc,b零舍入舍掉b即bc,b舍入浮點數(shù)為“”，b+bc,b浮點數(shù)為“”，bc,b舍入浮點數(shù)為“”，bc,b浮點數(shù)為“”，b+bc,b,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,3.向量數(shù)據(jù)表示（1）對向量數(shù)據(jù)進行操作的步驟a.把源向量的長度和起始地址設(shè)置好b.用一條向量指令對整個向量的所有元素進行運算（2）稀疏向量的處理a.定義含有大量零元素的向量，成為稀疏向量。b.壓縮向量的方法第一步先形成一個向量Z，用來指明稀疏中各元素的狀況及所在的位置。根據(jù)Z向量，形成壓縮向量,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,A0,A1,A2,A3,A4,A5,A0,A5,0,1,0,1,1,1,壓縮向量、稀疏向量和有序向量示意圖,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,4.自定義數(shù)據(jù)表示（1）自定義數(shù)據(jù)表示分類a.帶標志符的數(shù)據(jù)表示b.數(shù)據(jù)描述符表示（2）帶標志符的數(shù)據(jù)表示的優(yōu)缺點優(yōu)點：簡化了指令系統(tǒng)，易于對編程進行查錯，能自動進行數(shù)據(jù)類型變換，簡化編譯，方便程序調(diào)試。缺點：數(shù)據(jù)占用的存儲空間增加，指令執(zhí)行速度減慢，必須用專門的指令完成標志符的初始化。（3）數(shù)據(jù)描述符,標志符,數(shù)據(jù),描述符標志位,特征標記,數(shù)據(jù)塊長度,數(shù)據(jù)塊起始地址,數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)表示,上圖中各部分解釋：1）描述符標志位部分指名這是一個數(shù)據(jù)描述符。2）特征標記部分指名所描述數(shù)據(jù)的各種特征3）長度部分指名所描述數(shù)據(jù)的長度。4）起始地址部分指名了所描述的一組數(shù)據(jù)的首地址。,本節(jié)小結(jié),兩類數(shù)據(jù)類型（基本型和結(jié)構(gòu)型）二進制數(shù)據(jù)表示和浮點數(shù)帶標志符的數(shù)據(jù)表示及其優(yōu)缺點描述符用來描述結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)（增加存儲時間）,指令集InstructionSet,第三章,A.LanTuring,1936年論數(shù)字計算在決策問題中的應用：“計算機應有一個帶讀寫頭的控制器和一根假設(shè)無限長的工作紙帶。紙帶被分成若干個方格，每一個格里可寫上一個字母符號，控制器在紙上左右移動，其內(nèi)的讀寫器讀出格內(nèi)的符號或改寫符號，最后計算得出結(jié)果?！薄坝嬎銠C有三種工作：移動到相鄰的方格；改變當前方格的內(nèi)容；進入到新的狀態(tài)”-圖靈機,一、概論,二、典型指令的執(zhí)行,三、指令分類（按存放操作數(shù)）,四、尋址方式,五、基本指令操作,六、操作數(shù)大小及選擇,七、指令格式,八、編譯器,九、指令系統(tǒng)標準,本章小結(jié),受限于AmdahlLaw，SPEC的性能檢測結(jié)果！如果代碼大小至關(guān)重要，使用可變長度指令如果性能至關(guān)重要，使用固定長度指令瞄準最低限要求的指令系統(tǒng)，實現(xiàn)：硬件實現(xiàn)簡單，成本低對編譯器支持好機器代碼小功耗低,