计算机指令集结构设计--指令集结构的分类
计算机系统结构课后习题答案
第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构:按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。
虚拟机:用软件实现的机器。
翻译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。
解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构:传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现:计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。
系列机:由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。
原题目：指令集体系结构的分类与比较
原题目：指令集体系结构的分类与比较引言指令集体系结构指的是计算机中用于执行指令的硬件和软件的组合方式。
不同的指令集体系结构对计算机程序的编写、执行和性能都有着不同的影响。
本文将对指令集体系结构进行分类，并对各种指令集体系结构进行比较。
指令集体系结构的分类常见的指令集体系结构主要有以下几类：1. 精简指令集（RISC）体系结构：RISC体系结构以简化指令为特点，将指令集精简为少量、固定长度的指令。
它注重简化指令的执行时间，减少指令的执行周期，以提高指令的执行效率。
常见的RISC体系结构有ARM和PowerPC等。
2. 复杂指令集（CISC）体系结构：CISC体系结构以实现复杂指令为特点，将指令集设计为丰富多样、灵活可变的指令。
它注重减少指令数量，提高编写程序的便利性，但由于指令复杂，执行时间会相对较长。
常见的CISC体系结构有x86和MIPS等。
3. 超长指令字（VLIW）体系结构：VLIW体系结构在指令流水线的基础上，通过编译器将多个指令捆绑为一条宽指令，以提高指令级并行度。
它注重编译器的优化和指令的同时执行，以提高程序的性能。
常见的VLIW体系结构有Itanium和EPIC等。
4. 特定领域指令集（DSP）体系结构：DSP体系结构主要针对数字信号处理领域的需求，将指令集设计为高度优化的专用指令，以提高数字信号处理的效率。
常见的DSP体系结构有TI TMS320和Motorola DSP等。
指令集体系结构的比较不同的指令集体系结构在性能、功耗、编程模型、兼容性等方面存在差异。
1. 性能：RISC体系结构在指令执行速度方面相对较快，适合于需要较高计算能力的应用；CISC体系结构则在编写程序的便利性和指令数量方面相对优势，适合于需要灵活指令和多功能性的应用。
2. 功耗：RISC体系结构通常具有较低的功耗，适合于功耗敏感的移动设备；CISC体系结构由于指令复杂，功耗相对较高，适合于高性能计算机系统。
3. 编程模型：RISC体系结构通常采用Load/Store指令模型，需要通过专门的Load/Store指令对寄存器和内存进行数据传输；CISC体系结构采用的是内存-寄存器指令模型，可以直接对内存进行操作。
计算机组成原理指令集体系结构的设计与优化
计算机组成原理指令集体系结构的设计与优化计算机组成原理是计算机科学中的重要理论课程之一，它对于了解计算机的基本原理和内部结构起着重要的指导作用。
其中，指令集体系结构是计算机的核心组成部分之一，它决定了计算机能够执行的操作和运算方式。
本文将探讨指令集体系结构的设计与优化方法，以及其对计算机性能的影响。
一、指令集体系结构的定义与分类指令集体系结构是计算机硬件与软件之间的接口，它定义了计算机能够执行的指令和数据格式。
根据指令和数据的操作类型，指令集体系结构可以分为以下几类：1. 精简指令集（RISC）体系结构精简指令集体系结构采用简单的指令格式和操作方式，指令集的种类较少，每条指令的执行时间相对较短。
精简指令集体系结构的设计目标是提高指令执行速度和功耗效率，适用于大部分应用场景。
2. 复杂指令集（CISC）体系结构复杂指令集体系结构采用复杂的指令格式和操作方式，指令集的种类繁多，每条指令的执行时间相对较长。
复杂指令集体系结构的设计目标是提供更丰富的指令功能和编程灵活性，适用于特定应用场景。
3. 隐式数据流（VLIW）体系结构隐式数据流体系结构将多条指令捆绑在一起，共同操作一组数据，以提高指令级并行性。
隐式数据流体系结构的设计目标是充分利用硬件资源，提高指令的并行度和执行效率，适用于科学计算和嵌入式系统等领域。
二、指令集体系结构的设计原则指令集体系结构的设计涉及到多个方面的考虑，以下是一些常见的设计原则：1. 简洁性指令集应该尽量简洁，避免冗余和重复的操作。
简洁的指令集可以提高指令的执行效率和编程的方便性。
2. 完整性指令集应该具备足够的操作功能，能够满足各类应用的需求。
完整的指令集可以提高程序的编写效率和计算机的应用范围。
3. 兼容性指令集应该具备一定的兼容性，能够支持历史上的指令集和软件。
兼容的指令集可以方便用户迁移和使用已有的软件资源。
4. 可扩展性指令集应该具备一定的扩展性，能够支持后续的技术发展和硬件升级。
计算机体系结构基础
计算机体系结构基础计算机体系结构是计算机科学中的一个重要概念，它定义了计算机硬件和软件之间的交互方式以及如何组织和设计计算机系统的结构。
本文将探讨计算机体系结构的基础知识，包括指令集体系结构、处理器架构和存储器层次结构。
一、指令集体系结构指令集体系结构（Instruction Set Architecture），简称ISA，是计算机体系结构的基础。
它定义了一组与硬件交互的指令集合，并规定了指令的格式、操作码和寻址方式等。
常见的指令集体系结构包括CISC （复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）。
CISC架构的特点是指令集复杂，提供了丰富的指令集合和多种寻址方式，使得每条指令可以执行多个操作。
而RISC架构则强调指令集的精简性和规范性，将更多的工作转移到编译器层面。
两者的选择取决于需求和设计目标，如应用场景的复杂度和对计算速度和资源利用效率的要求。
二、处理器架构处理器架构（Processor Architecture）决定了计算机的运算能力和效率。
处理器是计算机体系结构的核心部件，其结构和设计方式关系到计算机性能的提升和效能的增加。
传统的处理器架构采用单指令流单数据流（SISD）方式，即每次只能执行一条操作指令和一条数据流，效率有限。
而后来出现的多指令流多数据流（MIMD）方式，则能够同时处理多条指令和数据流，提高了计算能力和效率。
此外，处理器架构还包括流水线结构和超标量结构等。
流水线结构将一条指令的执行过程划分为多个阶段，使得各个阶段可以并行进行，从而提高整体执行效率。
超标量结构则允许多条指令并行执行，更进一步提高了计算速度。
三、存储器层次结构存储器层次结构（Memory Hierarchy）是计算机体系结构中的重要组成部分，用于解决计算机存储器访问速度和容量之间的矛盾。
它按照存取速度和容量的大小将存储器划分为多个层次。
存储器层次结构的基本原理是利用不同层次存储介质的速度和容量差异来平衡。
计算机组成原理中的指令与指令集
计算机组成原理中的指令与指令集计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，旨在介绍计算机系统的各个组成部分及其工作原理。
在这门课程中，指令与指令集是其中一个重要的内容，它涉及到计算机的指令执行过程和指令的编码方式。
一、指令的基本概念和作用指令是计算机程序中最基本的执行单位，它是计算机硬件中能够被执行的操作。
指令包括了操作码和操作数两个部分，操作码指明了要执行的操作类型，而操作数指明了操作码要操作的数据。
指令的作用是通过对数据的操作和处理来实现程序的功能。
不同的指令可以完成不同的操作，例如数据传输、运算、逻辑判断等。
通过不同的指令的组合和执行，计算机可以完成各种复杂的任务。
二、指令格式与编码方式指令的格式和编码方式是计算机硬件设计中的关键问题，它涉及到指令的存储、传输和执行等方面。
常见的指令格式包括固定格式、可变格式和寄存器-存储器格式等，不同的指令格式适用于不同的计算机体系结构。
指令的编码方式是指将指令的各个部分和参数按照特定的规则编码成二进制数。
根据指令的长度不同，编码方式可以分为定长编码和变长编码。
定长编码将所有指令都表示为相同长度的二进制数，这样可以简化指令的解码过程；而变长编码可以根据指令的需要灵活地分配不同长度的二进制数。
三、指令集的组成和分类指令集是一组用于描述计算机指令的规范，它包括了计算机所能执行的所有指令的集合。
指令集可以根据不同的要求和功能进行分类，常见的分类方式包括RISC指令集和CISC指令集。
RISC（Reduced Instruction Set Computers）指令集是一种精简指令集，它的设计原则是将指令集的数量减少到最小，并且每条指令的执行时间相当。
RISC指令集的特点是指令简单、指令执行时间短、流水线技术应用广泛等。
CISC（Complex Instruction Set Computers）指令集是一种复杂指令集，它的设计原则是将常用的操作通过单条指令来完成，以减少程序的长度和执行时间。
计算机体系结构
计算机体系结构计算机体系结构是指计算机硬件、软件和数据组成的结构体系。
它涵盖了计算机内部各个部件的组织方式，以及它们之间的连接和交互方式。
计算机体系结构的设计与实现直接影响计算机的性能、可靠性和可扩展性。
I. 介绍计算机体系结构是计算机科学中的重要研究领域，它关注的是在硬件和软件层面上如何组织计算机系统，以实现高性能、可靠性、可扩展性等要求。
计算机体系结构的研究内容广泛，包括指令集架构、处理器设计、内存层次结构、输入输出系统等等。
II. 指令集架构指令集架构是计算机体系结构的核心部分，它定义了计算机的指令集以及执行这些指令的方式。
指令集架构一般分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）两种。
RISC架构追求指令集的简洁和规整，通过减少指令的种类和提高指令的执行效率来提高计算机的性能。
而CISC架构则倾向于提供更多且复杂的指令，以方便编程和提高代码的密度。
III. 处理器设计处理器是计算机的核心部件，它执行指令、进行数据处理和控制计算机的各个部分。
处理器设计的目标是提高计算速度和性能，并支持更多的并行计算。
现代处理器常采用流水线、超标量、乱序执行等技术，以提高指令的执行效率。
除了性能，处理器设计还需要考虑功耗、散热等问题。
IV. 内存层次结构计算机的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存和辅助存储等层次。
这些层次的设计目的是提供多级别的存储，以满足不同速度和容量要求的数据访问。
其中，高速缓存是处理器与主存之间的缓冲存储器，它通过存储最常用的数据和指令，减少了处理器对主存的访问次数，提高了数据访问速度。
V. 输入输出系统输入输出系统是计算机与外部设备进行通信的接口，它负责将数据传输到或从外部设备传输到计算机。
现代计算机的输入输出系统包括各种接口标准和协议，如USB、HDMI、以太网等。
输入输出系统的设计需要考虑数据传输速度、可靠性和兼容性等因素，以满足不同的应用需求。
VI. 发展趋势计算机体系结构领域一直在不断发展和创新。
知识点归纳 计算机架构中的指令集与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构中的指令集与存储器层次结构计算机架构是计算机系统的基本组成和工作原理的体系结构，它包括指令集和存储器层次结构。
指令集是计算机的机器指令集合，用于操作和控制计算机硬件；而存储器层次结构则是计算机系统中处理器和主存之间的一系列存储器层级，用于加快数据访问速度和提高系统性能。
本文将对计算机架构中的指令集与存储器层次结构进行归纳总结。
一、指令集1.1 CISC指令集体系结构CISC（Complex Instruction Set Computer）指令集体系结构为每个操作提供了丰富的指令集，具有指令编码短、程序紧凑的特点。
CISC计算机的指令集设计考虑了高级语言并提供了高级指令，但指令复杂度高，执行速度较慢。
1.2 RISC指令集体系结构RISC（Reduced Instruction Set Computer）指令集体系结构精简了指令集，每个操作都由一条简单、固定长度的指令来实现。
RISC计算机的指令集设计追求指令的简洁性和执行速度，但需要编译器对指令进行优化，使得程序执行更加高效。
1.3 x86指令集x86指令集是当前主流的个人计算机指令集，其结构可以看作是CISC和RISC的混合形式。
x86指令集保留了一部分CISC指令，同时加入了一些RISC特性，以提高指令执行的效率。
二、存储器层次结构2.1 高速缓存（Cache）高速缓存是存储器层次结构中最接近处理器的一级缓存，用于存放处理器频繁访问的数据和指令。
高速缓存分为L1缓存和L2缓存，其中L1缓存位于处理器内部，速度最快，容量较小；L2缓存位于处理器外部，速度较慢，容量较大。
2.2 主存（Main Memory）主存是计算机中用于存储程序和数据的主要存储器，也是计算机存储器层次结构中相对较慢的部分。
主存的存取速度相对较慢，但容量较大。
2.3 辅助存储器辅助存储器用于存储程序和数据的永久性存储，通常采用磁盘、固态硬盘或者磁带等形式。
指令集结构的分类
03
特定领域指令集结构 （SIMD）
定义
特定领域指令集结构（SIMD）是一种 计算机指令集结构，专门针对某一特 定领域或应用进行优化。
SIMD指令集结构通过同时处理多个数 据项来提高计算性能，以实现更高效 的并行计算。
特点
高性能
通过同时处理多个数据项，SIMD 指令集结构能够显著提高计算性 能，特别是在处理大规模数据集 时。
专用性
SIMD指令集结构针对特定领域或 应用进行优化，能够更好地满足 特定计算需求。
编程挑战
由于SIMD指令集结构的并行性和 专用性，编程和优化相对复杂， 需要更高的技术水平。
示例
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
NVIDIA CUDA
CUDA是一种基于GPU的并行计算平台和应用程序接口模型，它使用SIMD指令集结构来加速大规模 并行计算。
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指令集结构的分类
目 录
• 复杂指令集结构（CISC） • 精简指令集结构（RISC） • 特定领域指令集结构（SIMD） • 混合指令集结构（MISC）
01
复杂指令集结构（CISC）
定义
• 复杂指令集结构（Complex Instruction Set Computing， CISC）是一种计算机指令集结构，它包含了大量的指令和 功能，可以完成各种复杂的计算和控制任务。
兼容性好
由于CISC指令集包含了大量的传统指令， 因此可以支持大量的传统应用程序和操作 系统，具有良好的兼容性。
示例
• x86指令集：x86指令集是目前最广泛使用的CISC 指令集之一，它包含了大量的指令和功能，可以 完成各种复杂的计算和控制任务。
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（因为寄存器比存储器快）
◆ 可以用更少的地址位来寻址寄存器
虚拟存储器的特点 7／12
2.1 指令集结构的分类
2. CPU需要设置多少个寄存器呢？ 主要由编译器使用寄存器的情况来决定。
为表达式求值保留一些寄存器 为传递参数保留一些寄存器 用剩下的寄存器来保存变量
每条ALU指令显式表示的 运算结果的 访问显式操作数的
操作数个数 0 1 目的地 堆栈 累加器 过程 Push/Pop Load/Store 累加器
堆栈 累加器
一组寄存器
2/3
寄存器或存 Load/Store寄存 储器 器或存储器
虚拟存储器的特点
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2.1 指令集结构的分类
4. 根据CPU内部存储单元类型进行分类，可以分为
第二章 计算机指令集结构设计
2.1 指令集结构的分类
2.1.1 指令集结构分类
根据五个因素对计算机指令集结构进行分类：
(1) 在CPU中操作数的存储方法
(2) 指令中显式表示的操作数个数 (3) 操作数的寻址方式
(4) 指令集所提供的操作类型
(5) 操作数的类型和大小
虚拟存储器的特点
1／12
2.1 指令集结构的分类
3. 两种主要的指令特性能够将通用寄存器指令集结构
（GPR）进一步细分 (1) ALU指令到底有两个或是三个操作数？
◆ 有三个操作数的指令：两个源操作数
一个结果操作数
虚拟存储器的特点 8／12
2.1 指令集结构的分类
◆ 有两个操作数的指令：一个操作数既作为源操
作数，也作为目的操作数。 (2) 在ALU指令中，有多少个操作数可以用存储器来寻 址，也即有多少个存储器操作数？ 一般来说，ALU指令有0～3个存储器操作数。
堆栈型
堆栈不能被随机访问，从而很难生 简单模型；指令短小。成有效代码。同时，由于堆栈是瓶颈， 所以很难被高效地实现。 是一种表示计算的 减小了机器的内部 由于累加器是唯一的暂存器，这种
累加器型
状态；指令短小。
机器的存储器通信开销最大。
所有操作数均需命名，且显式表示， 因而指令比较长。
是代码生成最一般 寄存器型 的模型。
虚拟存储器的特点
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ALU指令中，存储器操作数个数和操作数个数的 所有可能组合，以及相应的机器实例 ALU指令中存储器 操作数个数 0 ALU指令中操作数的 最大个数 机器实例
2
3 2
IBM RT-PC
SPARC，MIPS PDP-10 ， IBM 360 ， Motorola 68000
1
3
虚拟存储器的特点
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2.1 指令集结构的分类
2.1.2 通用寄存器型指令集结构的分类
1. 通用寄存器型指令集结构的主要优点
使编译器有效地使用寄存器。 (1) 在表达式求值方面，比其它类型指令集结构 具有更大的灵活性; (2) 寄存器可以用来存放变量。
◆ 减少存储器的通信量，加快程序的执行速度。
堆栈型指令集结构 累加器型指令集结构
通用寄存器型指令集结构
例 C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的
实现方法。假设A、B、C均是保存在存储器单元中，
且A和B的值在运算过程中一直被保持。
虚拟存储器的特点
4／12
C=A+B表达式在这三种类型指令集结构上的实现方法
寄存器
堆栈
累加器
(寄存器－存储器)
寄存器 （寄存器－寄存器）
PUSH A
LOAD A
LOAD R1,A
LOAD R1,A
PUSH B
ADD B
ADD R1,B
LOAD R2,B
ADD
Store C
Store C,R1
Add R3,R1,R2
POP C
Store C,R3
虚拟存储器的特点
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三种类型指令集结构的优缺点
指令集结 构类型 优 点 缺 点
CPU中操作数的存储方法，是各种指令集结构
之间最主要的区别所在。
1. CPU中用来存储操作数的存储单元主要有： 堆栈
累加器 一组寄存器
2. 指令中的操作数可以显式给出，也可以隐式地给出。
3. CPU对操作数的不同存取方式
虚拟存储器的特点
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CPU对操作数的不同存取方式
CPU提供的
暂存器
指令字长多种多样。每条指令的 存储器－存 是一种最紧密的编 储器型 码方式，无需“浪费”执行时钟周期数也大不一样，对存 储器的频繁访问将导致存储器访问 （3,3） 寄存器保存变量。 瓶颈问题。 虚拟存储器的特点
指令中的操作数类型不同。在一 可以直接对存储器操 条指令中同时对一个寄存器操作数 寄存器－存 作数进行访问，容易 和存储器操作数进行编码，将限制 对指令进行编码，且 指令所能够表示的寄存器个数。由 储器型 其目标代码较小。 （1,2） 于指令的操作数可以存储在不同类 型的存储器单元，所以每条指令的 执行时钟周期数也不尽相同。
存储器 --- 存储器型（M-M:memory-memory）
(4) 常见的三种通用寄存器型指令集结构的优缺点 注：表中(m,n)的含义是， 指令的n个操作 数中有m个存储器操作数。
虚拟存储器的特点
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指令集结构 类型
优 点
缺 点
简单，指令字长固 寄存器－寄 定，是一种简单的代 和指令中含有对存储器操作数访问 存器型 码生成模型，各种指 的结构相比，指令条数多，因而其 （0,3） 令的执行时钟周期数 目标代码较大。 相近。
2 3 3
虚拟存储器的特点
IBM360的部分指令
PDP－11， 部分IBM360 指令
2
3
VAX
10／12
2.1 指令集结构的分类
(3)
通用寄存器指令集结构进一步细分为三种类型： 寄存器 --- 寄存器型（R-R:register-register) 寄存器 --- 存储器型（R-M:register-memory）