第二章 指令系统


  实际上,操作码不可能达到最短长度,这是因为操作码的位数必须是2的整倍数。然而,我们可以利用Huffman算法,通过构造Huffman树对操作码进行编码。上面这个例子的具体编码过程如图2.10所示。

  利用Huffman树进行操作码编码的方法,又称为最小概率合并法。对于上面这个例子,具体的编码方法是:首先,把所有7条指令按照操作码在程序中出现的概率值,自左向右从排列好,每条指令是一各结点;然后,选取两个概率最小的结点合并成一个概率值是二者之和的新结点,并把这个新结点插入到其它还没有合并的结点中间;再在新的结点集合中选取两个概率最小的结点进行合并,如此继续进行下去,直至全部结点都合并完毕,最后得到一个根结点,根结点的概率值为1。
  从图中可以看到,每个结点都有两个分支,分别用一位代码"0"和"1"表示。如果要得到某一条指令的操作码编码,可以从根结点开始,沿尖头所指方向,到达属于该指令的概率结点,把沿线所经过的代码组合起来得到这条指令的操作码编码。例如,要想得到概率值为0.15的指令的操作码编码,可以从概率值为1.00的根结点开始,沿尖头向右上方,到达概率值为0.55结点,于是得到第一位操作码"1",继续向右上方,到达概率值为0.25结点,得到第二位操作码,也是"1",最后沿向上的尖头,到达概率值为0.15的结点,得到最后一位操作码"0",把所经过的代码组合起来得到概率值为0.15这条指令的操作码编码为"110"。
  应当指出,采用上述方法形成的操作码编码并不是唯一的,只要将任意一个二叉结点上�"0"和"1"交换,就可以得到一组新的操作码编码。然而,无论怎样交换,操作码的平均长度是唯一的。
  采用Huffman编码法所得到的操作码的平均长度为:
    
  Pi表示第i种操作码在程序中出现的概率,Li表示第i种操作码的二进制位数,一共有n种操作码。
  把具体数值代入,得到:
    =0.45×1+0.30×2+0.15×3+0.05×4
            +0.03×5+0.01×6+0.01×6
           =1.97(位)
  这种编码方法的信息冗余量很小,仅为:
   
  与采用3位固定长操作码的信息冗余量35%相比要小得多。