指令格式的优化设计
系统结构讲义-2
码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予
一位代码“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶 的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指令）的完整编码。 由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压 缩原则。
上面所说的频度值就是各事件实际出现次数的百分比， 它是理论出现概率的近似值。 例：假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，已 知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用Huffman 编码法进行操作码编码。 指令 概率 I1 0.45 I2 0.30 I3 0.15 I4 0.05 I5 0.03 I6 0.01 I7 0.01
第二章 指令系统
2.3 指令格式的优化设计
指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和 地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。
指令的组成 操作码 地址码
1) 指令的操作种类。 2) 所用操作数数据 类型。
1) 操作数地址。 2) 地址附加信息。 3) 寻址方式。
指令格式的优化设计目标： 1) 使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。 2) 指令格式要规整，减少硬件译码的复杂程度。
1632和64位固定32位指令时钟频率随技术发展而变化随技术发展而变化寄存器堆824个通用寄存器32192个分离的整数和浮点寄存器堆指令系统规模和类型约300条多于48种指令类型大都基于寄存器寻址方式约12种包含间接变址寻址35种只有取存寻址存储器高速缓存设计较早使用合一高速缓存有些使用分离高速缓存大多数使用分离的数据和指令高速缓存cpi及平均cpi120个周期平均4个简单操作1个周期平均约15个cpu控制大多数用微程序控制有些使用硬连线控制大多数用硬连线控制没有控制存储器代表性商品化处理器intelx86vax8600ibm390mc68040intelpentiumamd486和cyrix686sunultrasparcmipsr10000powerpc604hppa8000digitalalpha21164混合混合ciscriscciscrisc体系结构体系结构pentiumpropentiumpro处理器的处理器的ciscriscciscrisc体系结构体系结构分分基于基于riscrisc核心核心dbab将将x86x86代码转化为代码转化为riscrisc指令指令
【转载】C代码优化方案
【转载】C代码优化⽅案C代码优化⽅案1、选择合适的算法和数据结构2、使⽤尽量⼩的数据类型3、减少运算的强度 （1）查表(游戏程序员必修课) （2）求余运算 （3）平⽅运算 （4）⽤移位实现乘除法运算 （5）避免不必要的整数除法 （6）使⽤增量和减量操作符 （7）使⽤复合赋值表达式 （8）提取公共的⼦表达式4、结构体成员的布局 （1）按数据类型的长度排序 （2）把结构体填充成最长类型长度的整倍数 （3）按数据类型的长度排序本地变量 （4）把频繁使⽤的指针型参数拷贝到本地变量5、循环优化 （1）充分分解⼩的循环 （2）提取公共部分 （3）延时函数 （4）while循环和do…while循环 （6）循环展开 （6）循环嵌套 （7）Switch语句中根据发⽣频率来进⾏case排序 （8）将⼤的switch语句转为嵌套switch语句 （9）循环转置 （10）公⽤代码块 （11）提升循环的性能 （12）选择好的⽆限循环6、提⾼CPU的并⾏性 （1）使⽤并⾏代码 （2）避免没有必要的读写依赖7、循环不变计算8、函数 （1）Inline函数 （2）不定义不使⽤的返回值 （3）减少函数调⽤参数 （4）所有函数都应该有原型定义 （5）尽可能使⽤常量(const) （6）把本地函数声明为静态的(static)9、采⽤递归10、变量 （1）register变量 （2）同时声明多个变量优于单独声明变量 （3）短变量名优于长变量名，应尽量使变量名短⼀点 （4）在循环开始前声明变量11、使⽤嵌套的if结构1、选合适的算法和数据结构选择⼀种合适的数据结构很重要，如果在⼀堆随机存放的数中使⽤了⼤量的插⼊和删除指令，那使⽤链表要快得多。
数组与指针语句具有⼗分密切的关系，⼀般来说，指针⽐较灵活简洁，⽽数组则⽐较直观，容易理解。
对于⼤部分的编译器，使⽤指针⽐使⽤数组⽣成的代码更短，执⾏效率更⾼。
在许多种情况下，可以⽤指针运算代替数组索引，这样做常常能产⽣⼜快⼜短的代码。
代码格式修改
代码格式修改是指对代码进行整理和优化，使其更符合编程规范和风格。
以下是常见的代码格式修改方法：
1. 缩进：使用空格或制表符（Tab）进行缩进，以表示代码块的层次结构。
通常使用4个空格或一个制表符进行缩进。
2. 换行：在适当的地方换行，以提高代码的可读性。
例如，在操作符前后换行，或者在括号内换行。
3. 空格：在操作符两侧添加空格，以提高代码的可读性。
例如，在赋值运算符、比较运算符等两侧添加空格。
4. 注释：为代码添加注释，以解释代码的功能和逻辑。
注释应该简洁明了，易于理解。
5. 命名规范：遵循一定的命名规范，以提高代码的可读性和可维护性。
例如，变量名应该使用小写字母和下划线的组合，函数名应该使用驼峰命名法等。
6. 代码格式化工具：使用代码格式化工具，如Python的autopep8、JavaScript的prettier等，自动完成代码格式的修改。
7. 代码审查：定期进行代码审查，检查代码是否符合规范和风格，及时发现并修复问题。
通过以上方法，可以使代码更加整洁、易读、易维护，提高开发效率。
中国海洋大学计算机系统结构课程大纲(理论课程)
中国海洋大学计算机系统结构课程大纲（理论课程）中国海洋大学计算机系统结构课程大纲(理论课程)英文名称Computer Architecture【开课单位】计算机科学与技术系【课程模块】学科基础【课程编号】【课程类别】选修【学时数】 48 (理论实践 ) 【学分数】 3一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。
(一)教学对象计算机科学与技术专业大学三年级学生(二)教学目标及修读要求1、教学目标(课程结束后学生在知识、技能和态度三个层面达到的目标) 本课程的结束后，学生应掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，初步了解和掌握几种高性能计算机系统的架构;初步具备计算机系统的架构分析能力，初步具备计算机系统性能的评测技能;对现有的主流计算机系统能有一个比较全面的了解，开阔眼界和思路，为今后进一步的学习、研究和工作奠定基础。
2、修读要求(简要说明课程的性质，与其他专业课程群的关系，学生应具备的基本专业素质和技能等)本课程是一门专业理论课。
由于计算机系统是一个复杂的系统，在学生已经学习了“计算机组成原理”、“计算机操作系统”、“汇编语言程序设计”、“高级语言程序设计”等计算机硬件和软件方面的多门课程之后，通过学习“计算机系统结构”这门课程才能够建立起计算机系统的完整概念。
(三)先修课程(参照2011版人才培养方案中的课程名称，课程名称要准确) 先修课程:“高级语言程序设计”;“计算机组成原理”;“操作系统”。
二、教学内容(一)第1章计算机系统结构的基本概念1、主要内容:1.1 计算机系统结构1.2 计算机系统设计技术1.3 系统结构的评价标准1.4 计算机系统结构的发展2、教学要求:(按照掌握、理解、了解三个层次对学生学习提出要求)掌握计算机系统层次结构，计算机系统结构、计算机组成、计算机实现定义及三者之间的关系，透明性概念，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS 定义，MFLOPS定义，计算机系统结构的分类;理解计算机系统设计方法，系统结构的评价标准;了解冯?诺依曼计算机特征，计算机系统结构的发展，价格、软件、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。
(自考02325李学干版)计算机系统结构课后习题
第二章数据表示与指令系统1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确立和引入数据表示的基来源则是什么？答：数据表示是能由硬件直接辨别和引用的数据种类。
数据构造反应各样数据元素或信息单元之间的构造关系。
数据构造要经过软件映象变换成机器所拥有的各样数据表示实现，所以数据表示是数据构造的构成元素。
不一样的数据表示可为数据构造的实现提供不一样的支持，表此刻实现效率和方便性不一样。
数据表示和数据构造是软件、硬件的交界面。
除基本数据表示不可以少外，高级数据表示的引入依照以下原则：（1）看系统的效率有否提升，能否养活了实现时间和储存空间。
（2）看引入这类数据表示后，其通用性和利用率能否高。
2.标记符数据表示与描绘符数据表示有何差异？描绘符数据表示与向量数据表示对向量数据构造所供给的支拥有什么不一样？答：标记符数据表示与描绘符数据表示的差异是标记符与每个数据相连，合存于同一储存单元，描绘单个数据的种类特征 ; 描绘符是与数据分开寄存，用于描绘向量、数组等成块数据的特色。
描绘符数据表示为向量、数组的的实现供给了支持，有益于简化高级语言程序编译中的代码生成，能够比变址法更快地形成数据元素的地点。
但负阶，最小为 0)最大阶(2^p-1)最小尾数值(rm^(-1))最大尾数值(1-rm^(-m'))可表示的最小值可表示的最大值阶的个数(2^p)可表示的尾数的个数可表示的规格化数的个数note:2^6-12^6-12^6-11/21/81/161-2^(-48)1-8^(-16) ，即(1-2^(-48)) 1-16^(-12)，即(1-2^(-48))1/21/81/162^63*(1-2^(-48))8^63*(1-8^(-16))16^63*(1-16^(-12))2^62^62^62^48*(2-1)/28^16*(8-1)/816^12*(16-1)/16 2^6*2^48*(2-1)/22^6*8^16*(8-1)/82^6*16^12*(16-1)/16描绘符数据表示其实不支持向量、数组数据构造的高效实现。
指令系统的设计和优化
操作数的存储形式
存储器
CPU内什么地方
每条指令中显式说明的操作数个数
操作数的位置
操作类型
操作数的类型和长短
指令的分类
指令格式的优化
指令=操作码+地址码
指令格式的优化：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。
主要目标：
节省程序的存储空间
指令格式尽量规整，便于译码
PUSH A ;操作数a压入堆栈
PUSH B ;操作数b压入堆栈
MUL ;栈顶两数相乘,结果压回堆顶
PUSH C
ADD
PUSH D
SUB ;栈顶是分子运算的结果
PUSH E
PUSH F
ADD
DIV ;栈顶是最后运算的结果
POP X ;保存最后运算结果
关于地址码个数结论
＋0.01×6.644＝1.95（位）
0.45
0.30
0.15
0.05
0.03
0
0
0
0
1.00
0.55
1
0.25
1
0.01
0.01
0
1
0.02
0
1
0.05
1
0.10
1
指令序号 概率
I1
0.45
I2
0.30
I3
0.15
I4
0.05
I5
0..01
Huffman编码法
0
10
110
参数必须满足90%以上的使用频率。
0104指令系统的优化例题
①用此思想可对操作码进行优化。 ②对地址码的优化：
6．设计RISC机器的一般原则及 可采用的基本技术有那些?
答：一般原则： (1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及
少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能的 指令. (2)减少寻址方式种类，一般不超过两种； (3)让所有指令在一个机器周期内完成； (4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减 少访存次数； (5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现； (6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。
(4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执 行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移 指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移 总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不 作废，节省一个机器周期。
(5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减 少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译： 还 可调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。
答：指令格式的优化指如何用最短位数表示 指令的操作信息和地址信息，像程序中指 令的平均字长最短。
Huffman压缩的基本思想是，当各种事件发 生概率不均等时，采用优化技术对发生概 率最高的事件用最短的位数(时间)来表示 (处理)，而对出现概率较低的事件，允许采 用较长位数(时间)来表示(处理)，会导致表 示(处理)的平均位数(时间)的缩短。
(4)由于指令系统庞大，指令的使用频度不高，降 低系统性能价
格比，增加设计人员负担。
RISC的问题：(1)由于指令少，在原CISC上一条
由于RISC和C1SC各有优缺点：(1)在设计 时，应向着两者结合，取长补短方表示数据信息， 其存储空间利用率低，运算速度要快。( ×)
1.4 指令系统的优化 习题课
指令微调 代码类
指令微调代码类一、什么是指令微调？指令微调是指在程序编写过程中，对代码进行微小的修改以达到更优化的效果。
这些微调通常只会影响到程序的性能和效率，而不会影响到程序的功能。
二、为什么需要指令微调？1. 提高程序性能：通过对代码进行微调可以提高程序的运行速度和效率，从而提高整个系统的性能。
2. 减少内存占用：通过优化代码可以减少内存占用，从而提高系统稳定性和可靠性。
3. 适应不同硬件平台：不同的硬件平台可能会有不同的指令集和处理器架构，通过对代码进行微调可以让程序更好地适应不同的硬件平台。
三、如何进行指令微调？1. 微调循环结构：循环结构是程序中最常见和最容易出现性能问题的部分。
通过减少循环次数、减少循环内部操作等方式可以提高循环结构的执行效率。
2. 优化算法：通过选择更优秀的算法或者对现有算法进行改进可以提高程序执行效率。
3. 使用位运算代替乘除运算：位运算比乘除运算要快得多，因此在需要频繁使用乘除运算的场合可以考虑使用位运算代替。
4. 使用内联函数：内联函数可以将函数调用转换为代码插入到调用处，从而减少函数调用的开销，提高程序执行效率。
5. 使用编译器优化选项：现代编译器通常都有优化选项，通过开启这些选项可以让编译器自动对代码进行优化。
四、指令微调的注意事项1. 不要过度优化：过度优化可能会导致代码变得难以维护和理解，甚至可能会引入新的问题。
2. 不要追求小而快：在进行指令微调时，应该权衡代码大小和执行速度之间的关系。
有时候一些小的性能提升并不值得增加代码复杂度和维护成本。
3. 考虑可移植性：在进行指令微调时应该考虑到代码在不同平台上的可移植性。
一些特定的指令或者处理器架构可能只适用于某个平台，在跨平台开发时需要特别注意。
五、总结指令微调是程序员在编写高效程序时必须掌握的技能之一。
通过对循环结构、算法、位运算、内联函数等方面进行微调可以提高程序执行效率和性能，但是需要注意不要过度优化和追求小而快。
指令的一般格式
指令的一般格式
指令的一般格式通常包括四个部分：指令题干、指令内容、指令要求和指令截止日期。
这些部分共同构成了指令的基本框架，使指令更加规范、明确和易于理解和执行。
指令题干部分包含指令的主题和目的，可以让相关人员快速了解指令的主要内容以及执行此指令的具体要求。
例如，一个组织可能需要员工每天完成一些文档的整理和归档，那么指令题干部分可以明确标注指令的主题为“文件整理和归档”。
指令内容部分详细描述指令所要求的具体操作，包括任务的具体细节，使执行此指令的人员能够清楚地了解指令的执行方式。
例如，一个公司可能需要员工每周前往外地参加一个会议，那么指令内容部分可以详细描述指令的细节，如交通、住宿以及会议的安排等。
指令要求部分包含对指令的进一步要求和限制，以确保指令能够得到准确的执行。
例如，一个学校可能对学生的作业要求必须使用特定的字体和字号，那么指令要求部分可以明确标注这一要求。
指令截止日期部分标明了指令的有效期限，使相关人员能够清楚地了解在指令允许的时间内需要完成哪些任务。
例如，一个公司可能需要员工在下周之前完成一项新的市场调研，那么指令截止日期部分可以明确标注这一要求。
总之，指令的一般格式对于指令的执行非常重要。
通过明确、简洁地表达指令的主题、内容和要求，可以使指令更加规范、明确和易于理解和执行。
对于各种组织来说，遵守指令的一般格式可以提高工作效率，减少错误和失误，提高组织的运营效率。
系统结构期末复习
第一章1.计算机系统结构的定义：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定3.透明性概念：本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在4.计算机系统的多层次模型：第6级专用应用语言机器特定应用用户（使用特定应用语言）（经应用程序翻译成高级语言）第5级通用高级语言机器高级语言程序员（使用通用高级语言）（经编译程序翻译成汇编语言）第4级汇编语言机器汇编语言程序员（使用汇编语言）（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）第3级操作系统语言机器操作系统用户（使用操作系统原语）（经原语解释子程序翻译成机器语言）第2级传统机器语言机器传统机器程序员（使用二进制机器语言）（由微程序解释成微指令序列）第1级微指令语言机器微指令程序员（使用微指令语言）（由硬件译码器解释成控制信号序列）第0级硬联逻辑硬件设计员第0级由硬件实现，第1级由微程序实现，第2级至第6级由软件实现，由软件实现的机器称为：虚拟机从学科领域来划分：第0和第1级属于计算机组织与结构，第3至第5级是系统软件，第6级是应用软件。
它们之间仍有交叉。
第0级要求一定的数字逻辑基础；第2级涉及汇编语言程序设计的内容；第3级与计算机系统结构密切相关。
在特殊的计算机系统中，有些级别可能不存在。
5.计算机运算速度评价的主要方法：1）时钟频率（2）指令执行速度MIPS及KIPS、GIPS、TIPS 书P15-16（3）等效指令速度。
（CPI (Cycles Per Instruction) 为每条指令所需的平均时钟周期数，IPC为每个时钟周期平均执行的指令条数。
）例子：如果浮点开平方操作FPSQR的比例为2%，它的CPI为100 ，其他浮点操作的比例为23% ，它的CPI＝4.0，其余指令的CPI＝1.33 ，计算该处理机的等效CPI。
如果FPSQR操作的CPI也为4.0，重新计算等效CPI。
解：等效CPI1＝100 ×2 ％＋4 ×23％＋1.33 ×75％＝3.92等效CPI2＝4 ×25％＋1.33 ×75％＝2.00•由于改进了仅占2 ％的FPSQR操作的CPI，使等效速度提高了近一倍。
计算机组成与体系结构ch7指令系统a
第七章指令系统内容简介：本章主要介绍机器指令系统的分类、常见的寻址方式、指令格式以及指令系统的设计；此外对RISC、CISC技术也作了简要的介绍。
要求：掌握指令的格式、基本的寻址方式和指令格式的设计初步掌握指令的分类和指令格式的优化设计理解指令系统结构以及RISC、CISC结构的特点7．1指令格式指令：指示计算机执行某种操作的命令。
指令系统：一台计算机能执行的全部指令的集合。
计算机的指令系统与计算机的硬件结构关系密切，决定着计算机硬件的主要性能和基本功能，直接影响到系统软件和应用软件。
7.1.1指令格式每条指令由操作码和地址码两部分组成7.1.2操作码操作码：是用来指明该指令所要完成的操作，CPU中有专门的电路来解释每个操作码。
通常，操作码的长度（位数）反映了机器的操作种类，也即机器允许的指令条数，如操作码占7位，则该机器最多包含27＝128条指令。
操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。
固定长度操作码：便于进行指令译码和分析、存储可变长度操作码：在满足需要的前提下，能有效地缩短指令字长，提高指令的读取与执行速度，但也增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂。
7.1.3地址码地址码：指出指令中操作数所在的存储器地址或寄存器地址，根据指令中操作数地址码的数目的不同，可将指令分成三地址指令、二地址指令、一地址指令、零地址指令等多种格式（地址结构逐步简化）。
三地址指令：（A1）OP（A2）A3分别按A1与A2地址读取操作数，按操作码OP进行运算操作，然后将结果存入A3地址所指定的主存单元或寄存器中。
二地址指令：（A1）OP（A2）A1分别按A1与A2地址读取操作数，按操作码OP进行运算操作，然后将结果存入A1地址所指定的主存单元或寄存器中（A1地址所指定的主存单元或寄存器中原来存放的数据被覆盖）。
一地址指令：一地址指令有两种常见的形态，根据操作码含义确定它究竟是哪一种：1只有目的操作数的单操作数指令，如果操作码含义是加1、减1、求反、求补一类，则该指令是单操作数指令。
(自考02325)计算机系统结构课后习题
课后zhenti第1章计算机系统结构的基本概念1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M 倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。
第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。
note:由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
而现在第i级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。
所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡（硬件）上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
3.试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。
答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。
如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
指令格式的优化设计
指令格式的优化设计指令格式的优化设计的目的是用最短的二进制位数表示指令的操作信息和位置信息，使指令的平均字长最短。
指令格式的优化设计，首先根据指令集各指令的使用频度的分布{P}对操作码进行优化设计，然后对位置i码和寻址方式的表示采取优化措施，使指令格式达到优化。
经过优化设计的指令集减少了程序的总位数，减少了程序运行的时空开销，从而提高了系统的性能。
我们首先讨论操作码的优化编码方法，然后讨论寻址技术，最后，在操作码和位置码优化表示的基础上，说明指令格式的优化设计。
一、操作码的优化设计1、操作码优化编码的方法操作码优化编码的方法有三种：定长编码、哈夫曼编码和扩展编码。
定长编码：是指所有指令的操作码长度都是相等的。
如果有n个需要编码的操作码，定长操作码的位数最少需要logn位。
2哈夫曼编码：用哈夫曼方法构造哈夫曼树进行编码。
构造哈夫曼树的方法是：每次从指令集中选出两个使用频度最小的指令，将其频度相加，形成一个节点，称为父节点，将新生成的父节点放到结点集中，从新的节点集中再选两个使用频度最少的节点生成一个新的父节点，直至节点集成为空集，就生成了一棵哈夫曼树。
每个节点的两个分支节点，称为节点，用0和1标识，上面的节点称根节点，下面的节点称为叶节点。
从最上面的根节点到一个叶节点的路径(由0和1组成的序列)就是这个叶节点的哈夫曼编码。
由于哈夫曼编码的码长种类较多。
既不利于硬件对操作码的译码，也很难与位置码配合形成长度规整的指令格式。
因此，实用的操作码编码一般不采用哈夫曼编码而采用扩展编码的方法。
扩展编码：限定使用少数几种长度码长，使用频度高的码点用短码表2 / 22示，使用频度低的码点用长码表示。
特别需要指出的是，不是所有的短码都可以作为长码的前缀，即不是任何短码都可以是任何长码的若干位。
否则，编码将会不唯一。
所以，要留下若干个短码作为长码的扩展标志，以便长码在扩展编码时使用。
这是扩展编码“扩展”一词的含义。
指令微调方案
指令微调方案一、引言在计算机程序中，指令是计算机执行任务的基本单位。
通过指令，我们可以告诉计算机需要执行的操作。
然而，并非所有的指令都能完美地达到预期效果，有时候我们需要对指令进行微调，以提升程序的性能、准确性或可读性。
本文将探讨指令微调方案，介绍一些常见的微调方法。
二、指令微调方法1. 优化循环结构循环结构是程序中常见的部分，优化循环结构可以显著提升程序的性能。
常见的优化方法包括：避免在循环内部进行重复计算、减少循环次数、合理使用循环终止条件等。
通过对循环结构进行微调，可以减少程序的运行时间，提高效率。
2. 算法优化优化算法是指通过改进算法的实现方式，达到提升程序性能的目的。
常见的算法优化方法有：使用更高效的排序算法、减少不必要的计算、合理利用缓存等。
通过对算法进行微调，可以降低程序的时间复杂度，提高算法的执行效率。
3. 内存管理优化内存管理是指对程序中的内存分配和释放进行优化，以减少内存的占用和访问时间。
常见的内存管理优化方法有：合理使用栈和堆、避免内存泄漏、减少内存碎片等。
通过对内存管理进行微调，可以提高程序的稳定性和效率。
4. 并行计算优化并行计算是指将任务分解成多个子任务，并发执行以提高程序的性能。
常见的并行计算优化方法有：使用多线程或多进程、合理利用并行计算框架等。
通过对程序进行并行计算优化，可以充分利用计算资源，提高程序的执行效率。
5. 代码结构优化代码结构是指程序的组织方式和布局，合理的代码结构可以提高程序的可读性和可维护性。
常见的代码结构优化方法有：模块化设计、减少代码重复、遵循编码规范等。
通过对代码结构进行微调，可以使程序更易于理解和修改，提高开发效率。
6. 输入输出优化输入输出是程序与外部环境进行交互的方式，优化输入输出可以提高程序的响应速度和用户体验。
常见的输入输出优化方法有：使用缓冲区、减少文件读写次数、合理使用异步IO等。
通过对输入输出进行微调，可以提高程序的执行效率和用户满意度。
单片机指令的格式和编码方式
单片机指令的格式和编码方式在单片机编程中，指令的格式和编码方式是非常重要的，它们决定了程序的执行顺序和操作过程。
本文将对单片机指令的格式和编码方式进行详细介绍，帮助读者更好地理解和应用单片机。
1. 指令的格式指令的格式是指指令在计算机中的存储格式和表示方式。
在单片机中，常见的指令格式有以下几种：1.1. 定长指令格式定长指令格式是指每条指令的长度是固定的，无论指令是什么类型，都占据相同的存储空间。
这种格式的好处是指令的读取和译码速度较快，但缺点是指令长度固定，不能灵活利用存储空间。
常见的定长指令格式有两种：字长指令和字节长指令。
字长指令是指每条指令的长度为一个字（一般为16位），指令用一个字节编码。
字长指令的格式可以表示简单的操作，但对于复杂的操作可能不够灵活。
字节长指令是指每条指令的长度为一个字节（8位），指令用一个字节编码。
字节长指令的格式比较紧凑，可以灵活利用存储空间，但对于一些复杂的操作可能需要多条指令来完成。
1.2. 变长指令格式变长指令格式是指每条指令的长度可以根据需要进行变化，每个指令由不定数量的字节组成。
这种格式的好处是可以根据指令的类型和需要，灵活地分配存储空间，适用于各种不同的指令。
常见的变长指令格式有两种：指令长度字段和可选字段。
指令长度字段是指在指令中使用一个字段来表示指令的长度，根据该字段的值来确定指令的长度。
这种格式可以灵活地表示各种指令长度，但需要占用额外的存储空间。
可选字段是指在指令中使用一个字段来表示某些操作或参数的存在与否，根据该字段的值来决定是否包含该操作或参数。
这种格式可以灵活地表示各种不同的操作和参数，但需要更高的指令解码和执行的复杂度。
2. 指令的编码方式指令的编码方式是指对指令中的操作码、操作数和寻址方式等进行编码的方式。
不同的编码方式可以实现不同的功能和操作。
2.1. 直接编码直接编码是指将指令中的操作码和地址直接编码为二进制代码。
这种编码方式简单直观，对于简单的操作和寻址方式比较适用，但指令码长度较长，占用存储空间较大。
为解决某一特定问题而设计的指令序列
为解决某一特定问题而设计的指令序列
指令序列是由一系列指令组成的有序集合，用于解决某一特定问题。
这些指令必须按照特定的顺序执行，以实现目标。
指令序列可以用于各种领域，包括计算机编程、机器人技术、自动化控制系统等。
为了设计一个有效的指令序列，必须首先确定要解决的问题，并确定最终的目标。
然后，根据问题的特点和目标来选择适当的指令，将它们按照正确的顺序组合成一个完整的指令序列。
在计算机编程中，指令序列是由一系列指令组成的程序。
这些指令可以执行各种计算、逻辑和输入输出操作，以完成程序的功能。
在机器人技术中，指令序列用于控制机器人的运动和操作，以完成特定的任务。
在自动化控制系统中，指令序列用于控制各种设备和机器，以实现自动化生产和制造。
在设计指令序列时，还需要考虑一些重要的因素，如效率、安全性和可靠性。
指令序列必须执行得足够快，以满足实时性要求，同时也必须保证系统的安全性，以避免潜在的危险。
此外，指令序列还必须能够在各种环境和条件下可靠地运行，以确保系统的可靠性和稳定性。
总之，指令序列是解决某一特定问题的重要工具。
通过合理地设计和优化指令序列，可以实现最优的解决方案，提高系统的效率和可靠性，从而为各种应用领域带来更多的价值。
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第一章第二章习题及答案
第一章第二章习题及答案计算机体系结构习题及答案第一章基础知识1．名词解释翻译解释模拟仿真透明性程序访问局部性[答案]略翻译：先用转换程序将高一级机器上的程序整个地变换成为低一级机器上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。
解释：在低一级机器上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
模拟：指用软件的方法在一台计算机(宿主机A)上，实现另一台计算机(虚拟机B)的指令系统。
仿真：用微程序的方法在一台计算机(宿主机A)上实现另一台计算机(目标机B)的指令系统。
透明性：一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在。
程序访问的局部性原理：是指程序执行过程中，呈现出频繁重新使用那些最近已被使用过的数据和指令的规律。
程序访问的局部性包括时间局部性和空间局部性。
2. 一个经解释实现的计算机可以按功能划分为四级. 每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令. 若执行第一级的一条指令需要的时间为K ns, 那么执行第二、三、四级的一条指令各需要多少时间?[答案] NK ns; N2K ns; N3K ns3. 计算机系统按功能划分层次结构的好处主要体现在哪些方面?[答案] (1) 有利于理解软件, 硬件和固件在系统中的地位和作用;(2) 有利于理解各种语言的实质和实现途径;(3) 有利于推动计算机系统结构的发展;(4) 有利于理解计算机系统结构的定义.4. 什么是透明性? 对计算机系统结构, 下列哪些是透明的? 哪些是不透明的?1)存储器的模m交叉存取; 2)浮点数据表示; 3) I/O系统是采用通道方式还是I/O处理机方式; 4) 阵列运算部件; 5) 数据总线宽度; 6) 通道是采用结合型的还是独立型的; 7) 访问方式保护; 8) 程序性中断; 9) 串行、重叠还是流水控制方式; 10) 堆栈指令; 11) 存储器的最小编址单位; 12) Cache存储器.[答案] 一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在, 称为透明性.对计算机系统结构来说透明的是: 1), 4), 5), 6), 9), 12)对计算机系统结构来说不透明的是:2), 3), 7), 8), 10), 11)5. 什么是计算机体系结构? 什么是计算机组成? 什么是计算机实现? 并说明三者的关系和相互影响?[答案] 计算机系统结构是计算机系统的软, 硬件分界面, 是机器语言程序员或是编译程序员所需了解的计算机属性;计算机组成是计算机系统结构的逻辑事项;计算机实现是计算机组成的物理实现.三者的关系和互相影响为:(1) 具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成; (2) 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现;(3) 计算机组成、计算机实现对计算机系统结构有着很大的影响;(4) 计算机系统结构的设计不应限制计算机组成和实现技术，应能用于高档机，也可用于低挡机;(5) 在不同时期, 计算机系统结构,、组成和实现所包含的内容会有所变化，三者之间的界线常常很模糊.6. 从机器(汇编)语言程序员角度看, 以下哪些是透明的? 1) 指令地址存储器; 2) 指令缓冲器; 3) 时标发生器; 4) 条件码寄存器; 5) 乘法器;6) 主存地址寄存器; 7) 磁盘外设; 8) 先行进位链; 10) 通用寄存器; 11) 中断字寄存器. [答案] 对机器(汇编)语言程序员来说透明的有: 2), 3), 5),6), 8), 9) 对机器(汇编)语言程序员来说不透明的有: 1), 4), 7), 10), 11)7. 假设在一台40 MHz 处理机上运行200 000条指令的目标代码, 程序主要由四种类型的指令所组成. 根据程序跟踪实验结果, 各类指令的混合比和每类指令的CPI 值如表1.9所示.表1.9 各类指令的指令混合比及每类指令的CPI 值指令类型指令混合比CPI算术和逻辑60% 1 高速缓存命中的加载/存储18% 2 转移12% 3 高速缓存缺失的存储器访问10% 4(1) 试计算在单处理机上执行上述该程序时的平均CPI;(2) 根据(1)所得到的CPI, 计算相应的MIPS 速率及程序的执行时间. [答案] (1) 2.24 CPI (2) 17.86 MPIS; 0.0112 s8. 某工作站采用时钟频率为15 MHz 、处理速率为10 MIPS 的处理机来执行一个程序，假定每次存储器存取为1周期延迟, 试问:(1) 此计算机的有效CPI 是多少?(2) 假定将处理机的时钟频率提高到30 MHz, 但存储器子系统速率不变, 这样, 每次存储器存取需要两个时钟周期. 如果30%的指令每条只需要一次存储存取, 而另外5%的指令每条需要两次存储存取, 还假定已知混合程序的指令数不变, 并与原工作站兼容, 试求改进后的处理机性能（计算MIPS ）.[答案] (1) 5.1=10×1010×15=10×=666MIPS f CPI ;(2) 改造以后处理机的CPI 发生变化，30%的指令每条只需要一次存储存取, 由于时钟周期缩短，这类以前需要1个时钟周期用于存储，而现在需要增加1个时钟周期用于存储。
计算机系统结构的基本概念
第一章 计算机系统结构的基本概念♦ 14．计算机系统设计的定量原理(1) 加快经常性事件的速度(Make the common case fast)。
(2) Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
Fe 表示（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间），Se 表示（改进前改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间），则：♦ 改进后的整个任务的执行时间为：)1(0Se Fe Fe T T n +-=, 其中0T 为改进前的整个任务的执行时间。
♦ 改进后的整个系统加速比为： SeFe Fe T T S n n /)1(10+-== （3）CPU 性能公式。
CPU 时间=CPU 时钟周期数/频率；CPU 时间=CPU 时钟周期数*时钟周期长；平均时钟周期数CPI=CPU 时钟周期数/IC （指令的条数）；CPU 时间=（IC*CPI ）/频率f ；)(CPU 1i n i i I CPI ⨯=∑=的时钟周期数（4）访问的局部性原理。
时间局部性、空间局部性。
5. 计算机系统设计者的主要任务(1) 确定用户对计算机系统的功能、价格和性能的要求。
(2) 软硬件的平衡。
(3) 设计出符合今后发展方向的系统结构。
6. 计算机系统设计的主要方法)()(11IC I CPI IC I CPI CPI i n i i n i i i ⨯=⨯=∑∑==(1) “由下往上”（bottom-up ）设计。
(2) “由上往下”（top-down ）设计。
(3) “由中间开始”（middle-out ）设计。
7. 系统结构的评价标准(1) 性能♦ MIPS （Million Instructions Per Second ）MIPS = 610*执行时间指令条数=610*CPI f ♦ MFLOPS （Million FLoating point Operations Per Second ）MFLOPS = 610*执行时间程序中的浮点操作次数 ♦ 用基准测试程序来测试评价机器的性能。
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指令格式的优化设计指令格式的优化设计的目的是用最短的二进制位数表示指令的操作信息和地址信息，使指令的平均字长最短。
指令格式的优化设计，首先根据指令集各指令的使用频度}对操作码进行优化设计，然后对地址码和寻址方式的表示采取优化措施，使的分布{Pi指令格式达到优化。
经过优化设计的指令集减少了程序的总位数，减少了程序运行的时空开销，从而提高了系统的性能。
我们首先讨论操作码的优化编码方法，然后讨论寻址技术，最后，在操作码和地址码优化表示的基础上，说明指令格式的优化设计。
一、操作码的优化设计1、操作码优化编码的方法操作码优化编码的方法有三种：定长编码、哈夫曼编码和扩展编码。
定长编码：是指所有指令的操作码长度都是相等的。
如果有n个需要编码的操作码，n位。
定长操作码的位数最少需要log2哈夫曼编码：用哈夫曼方法构造哈夫曼树进行编码。
构造哈夫曼树的方法是：每次从指令集中选出两个使用频度最小的指令，将其频度相加，形成一个节点，称为父节点，将新生成的父节点放到结点集中，从新的节点集中再选两个使用频度最少的节点生成一个新的父节点，直至节点集成为空集，就生成了一棵哈夫曼树。
每个节点的两个分支节点，称为节点，用0和1标识，上面的节点称根节点，下面的节点称为叶节点。
从最上面的根节点到一个叶节点的路径(由0和1组成的序列)就是这个叶节点的哈夫曼编码。
由于哈夫曼编码的码长种类较多。
既不利于硬件对操作码的译码，也很难与地址码配合形成长度规整的指令格式。
因此，实用的操作码编码一般不采用哈夫曼编码而采用扩展编码的方法。
扩展编码：限定使用少数几种长度码长，使用频度高的码点用短码表示，使用频度低的码点用长码表示。
特别需要指出的是，不是所有的短码都可以作为长码的前缀，即不是任何短码都可以是任何长码的若干位。
否则，编码将会不唯一。
所以，要留下若干个短码作为长码的扩展标志，以便长码在扩展编码时使用。
这是扩展编码“扩展”一词的含义。
2扩展编码的两种表示方法。
1）码长表示法，用短横线前后的数字分别表示短码码长和长码码长，例如，2-4-6表示指令操作码的长度有三种，分别是2位、4位、6位。
（没有表示三种长度的编码各有多少个码点）。
2）码点数表示法，用斜线前后的数字分别表示短码码点的个数和长码码点的个数，例如，3/4/6表示有三种码长，最短码长的码点个数是3，最长码长的码点个数是4，三种码点的总数是13。
（没有表示各个码点数的码长是多少）。
2、操作码优化编码的评价方法(1)用平均码长评价编码优化的程度，平均码长为：i ni i l p l ∑==1其中i p 是第i 种码点的使用频度，i l 是第i 种码点的编码长度。
(2)用位冗余量衡量编码优化的程度，位冗余量为lHl H l R -=-=1 其中，H 称为信息熵(Entropy)∑=-=ni i i p p H 12log表示用二进制编码表示n 个码点时理论上最短平均编码长度。
因此对于任何实际编码得出的平均码长l ，都有l >H ，故有0<R<1。
3、对于同一个频度分布{p i }，应用哈夫曼法有可能生成不同的哈夫曼树。
因此，由不同的哈夫曼树得出的各码点的编码不相同。
也就是说，从频度分布{p i }得出的哈夫曼编码并不唯一。
但，计算得到的平均码长l 肯定是唯一的。
根据实现编码的码点个数的要求，在采用扩展编码方法进行优化编码时，选用几个短码作为长码扩展码标志的原则：一是根据需要编码的短码的码点个数和长码码点个数进行选择，二是尽量减少编码可表示的冗余码点的个数。
总之，应尽可能达到平均码长l 最短的优化要求。
3例1：一个处理机共有I 1～I 10共10条指令，经统计各指令在程序中的使用频率分别为：p 1=0.25 p 2=0.20 p 3=0.15 p 4=0.10 p 5=0.08 p 6=0.08 p 7=0.05 p 8=0.04 p 9=0.03 p 10=0.02(1)计算该10条指令的操作码编码的最短平均码长；(2)写出该10条指令的操作码的哈夫曼编码，并计算该种编码的平均码长和位冗余量；(3)采用3/7扩展编码和2/8扩展编码编写该10条指令的操作码，并分别计算平均码长和位冗余量。
问哪一种扩展编码较好？说明其理由。
解：(1)由给出的使用频率p 1～p 10，计算I 1～I 10的操作码编码的最短平均码长：∑=-=1012log i i i p p H=-(0.25log 20.25+0.20log 20.20+0.15log 20.15+0.10log 20.10+0.08log 20.08+0.08log 20.08+0.05log 20.05+0.04log 20.04+ 0.03log 20.03+0.02log 20.02) =2.96位所以，这十条指令的操作码编码的最短平均码长为2.96位。
(2)根据给出的使用频度，在用哈夫曼编码算法构造哈夫曼树的过程中，在选两个频度最小的节点合并时，有时有两个以上的节点可供选择，因此就会生成结构不同的哈夫曼树。
这里给出了两个哈夫曼树。
如下图：I10I9I8I74I10I9由哈夫曼树得到的两种哈夫曼编码如下表：可见哈夫曼编码是不唯一的。
两种哈夫曼编码的平均码长为：56ai i i a I p I ∑==101=0.25*2+0.20*2+0.15*3+0.10*3+0.08*4+0.08*4+0.05*5+0.04*5+0.03*5+0.02*5 =2.99位bi i i b I p I ∑==101=0.25*2+0.20*2+0.15*3+0.10*3+0.08*4+0.08*4+0.05*4+0.04*5+0.03*6+0.02*6 =2.99位可见，尽管哈夫曼编码不同，而平均码长却是唯一的。
两种哈夫曼编码的位冗余量分别为：%0.199.296.211=-=-=a a l H R %0.199.296.211=-=-=b b l H R 显然， R a =R b(3)3/7扩展编码和2/8扩展编码如下表所示：3/7扩展编码要求短码码点有3个，长码码点有7个，短码码长取2位，可表示22=4个短码码点。
因此只留一个码点作为扩展标志。
要表示的长码码点有7个，因此要扩展73位，因此有23＝8个扩展点可用，故有一个点即有一个长码码点11111未被用到，或称有一个冗余码点。
而采用2/8扩展编码则没有冗余码点。
由此判断，2/8扩展编码优于3/7扩展编码。
但是，准确地评价编码的优劣仍需要比较平均码长。
两种扩展编码的平均码长分别为：I 3/7=(0.25+0.20+0.15)*2+(0.10+0.08+0.08+0.05+0.04+0.03+0.02)*5=3.2位 I 2/8=(0.25+0.20)*2+(0.15+0.10+0.08+0.08+0.05+0.04+0.03+0.02)*4=3.1位 两种扩展编码的位冗余量分别为： %5.72.396.2117/37/3=-=-=l H R %5.41.396.2118/28/2=-=-=l H R 显然，由于 R 2/8〈 R 3/7，所以，2/8扩展编码优于3/7扩展编码。
二、寻址技术寻址技术对于指令格式的设计十分重要。
它决定了指令字中如何表示地址码。
寻址技术是指存储数据的空间如何编址和如何寻址的技术。
前者称为编址方式，后者称为寻址方式。
在主机中，可用于存储数据的空间有：CPU 中的通用寄存器、主存储器、堆栈和I/O 接口中的数据寄存器。
由于这些存储空间的工作速度和存储容量差别很大，因此，采用的编址方式和寻址方式也不同。
1、存储空间的组织方式存储空间有如下三种组织方式： (1)三个地址空间的组织方式存储空间的存储单位数量越多，用于存储单位编址的地址码越长。
CPU 中的通用寄存器数量较少，I/O 寄存器的数量较多，主存储单元的数量大得多。
为了减少指令中用于编址的地址码长度，要对这三个存储空间分别独立编址。
三个存储空间的寻址方式也不相同。
对寄存器一般采用直接寻址方式，对主存储器一般采用间接寻址和变址寻址等多种寻址方式，以避免在指令中用长的地址码直接表示主存单元的地址。
(2)两个地址空间的组织方式CPU的通用寄存器独立编址，I/O寄存器和主存储器统一编址。
统一编址空间的高端地址一般用于I/O接口寄存器的地址。
(3)一个地址空间的组织方式所有数据存储单位统一编址，地址空间的低端地址是CPU的通用寄存器的地址，高端地址是I/O接口寄存器的地址。
2、地址单位常用的编址单位有：字编址，字节编址和位编址。
字编址是指每个编址地址与访问的数据存储单位相一致。
字节编址是指每个编址单位都是一个字节。
位编址是指每个编址单位都是一个二进制位。
对CPU通用寄存器的一次读/写访问，要求读出或写入通用寄存器中的是一个字。
因此，通用寄存器按字编址，寄存器的编号就是寄存器的地址码。
主存储器可以按字编址，也可以按字节编址。
按字编址是最容易实现的一种编址方式，在采用按字编址的计算机中，可以设置专门的按字节操作的指令和按位操作的指令，用来实现对存储单元中的指令字节或指令位进行操作。
3、寻址方式按指令中包含的地址码的个数来分，指令可分为：零地址指令﹑一地址指令、二地址指令和三地址指令。
根据指令中给出的地址码来查找数据存储单元的方式称为寻址方式。
按指令的寻址空间来分，寻址方式可以分为以下四种：(1)立即数寻址在指令的地址码位置直接给出操作数，使指令从指令字中获取操作数，不需要访问任何地址空间，指令执行速度很快。
缺点是指令字中的地址码长度有限，使操作数的示数范围较小，示数精度较低。
(2)寄存器寻址若寻址空间是通用寄存器，则采用通用寄存器寻址方式。
由于通用寄存器的工作速度较快，因此寄存器寻址的执行速度较快。
另外，由于通用寄存器的字长比指令中的地址码的长度要大得多，因此，寄存器中的操作数的示数范围和示数精度较大。
8(3)主存寻址若寻址空间是主存，则采用主存寻址方式，由于主存的工作速度较慢，因此主存寻址比较费时。
另外，由于主存的容量很大，即主存的存储空间很大，因此主存空间的地址码较长，而指令字中分配给地址码的位数很有限，这种矛盾在二地址指令和三地址指令中更突出。
为了能用有限长度的指令地址码对应相当大的主存空间寻址，在主存寻址方式中要采用间接寻址和变址寻址等寻址方式。
在这些寻址方式中用寄存器存放操作数的主存单元地址，而在指令地址码中给出的是相应的寄存器地址。
指令执行时，先访问指令地址码指定的寄存器，从指定的寄存器中获得主存单位地址，然后再访问该主存单元地址指定的主存单元，从而得到所要用的数据。
(4)堆栈地址由于堆栈中的数据只能先进后出，后进先出，因此对堆栈空间的寻址无需指明地址。