指令集结构的功能设计
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。
计算机体系结构期末试题-湖南城市学院
题一11．计算机系统结构的层次结构由高到低分别为应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级12．计算机系统弗林(Flynn)分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令单数据流和多指令多数据流四大类。
13．透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到，它带来的好处是简化某级的设计，带来的不利是无法控制。
22．数据结构和数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的基本原则是什么？数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。
数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。
数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据结构的组成元素。
（2分）不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。
数据表示和数据结构是软件、硬件的交界面。
（2分）除基本数据表示不可少外，高级数据表示的确定和引入遵循以下原则：（1）看系统的效率有否提高，是否减少了实现时间和存储空间。
（2）看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。
15．引入数据表示的两条基本原则是：一看系统的效率有否提高；二看数据表示的通用性和利用率是否高。
13．计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成及逻辑设计等。
计算机实现指的是计算机组成的物理实现，。
21、软件和硬件在什么意义上是等效的?在什么意义上是不等效的?逻辑上等效，性能、价格、实现难易程度上不一样。
22．说明翻译和解释的区别和联系.区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。
联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。
19．计算机系统结构也称计算机体系结构，指的是传统机器级的系统结构。
它是软件和硬件/固件的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。
mips指令集(24条指令)的字段和功能描述
MIPS指令集(24条指令)的字段和功能描述指令集概述M I PS（M ic ro pr oc es s or wi th ou tI nt erl o ck ed Pi pe li ne dSt a ge s）指令集是一种精简指令集（R IS C）体系结构，广泛应用于计算机体系结构的教学和实践中。
本文将介绍M IP S指令集中的24条常用指令，并对它们的字段和功能进行详细描述。
加载和存储指令1.l w指令字段描述：-指令格式：lw$r t,o f fs et($rs)-r s（源寄存器）：指定存储单元的基址寄存器-r t（目标寄存器）：指定目标寄存器，用于存储从存储单元中加载的数据-o ff se t：用于指定存储单元的偏移量，计算出实际地址功能描述：l w指令用于从存储单元中加载数据到目标寄存器。
它通过基址寄存器和偏移量计算出实际地址，并将存储单元中的数据加载到目标寄存器中。
2.s w指令字段描述：-指令格式：sw$r t,o f fs et($rs)-r s（源寄存器）：指定存储单元的基址寄存器-r t（目标寄存器）：指定源寄存器，用于存储到存储单元中的数据-o ff se t：用于指定存储单元的偏移量，计算出实际地址功能描述：s w指令用于将源寄存器中的数据存储到指定的存储单元中。
它通过基址寄存器和偏移量计算出实际地址，并将源寄存器中的数据存储到该地址对应的存储单元中。
算术和逻辑指令3.a d d指令字段描述：-指令格式：ad d$rd,$rs,$rt-r s（源寄存器1）：参与运算的第一个源寄存器-r t（源寄存器2）：参与运算的第二个源寄存器-r d（目标寄存器）：用于存储运算结果功能描述：a d d指令用于将两个源寄存器中的数据相加，并将结果存储到目标寄存器中。
4.s u b指令字段描述：-指令格式：su b$rd,$rs,$rt-r s（源寄存器1）：参与运算的第一个源寄存器-r t（源寄存器2）：参与运算的第二个源寄存器-r d（目标寄存器）：用于存储运算结果功能描述：s u b指令用于将源寄存器2中的数据从源寄存器1中的数据减去，并将结果存储到目标寄存器中。
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
计算机系统结构--《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
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。
计算机语言指令集
计算机语言指令集计算机语言指令集是计算机体系结构中一个重要的概念。
它是指计算机所支持的机器码指令的集合，用于执行各种操作和计算任务。
计算机语言指令集的设计和实现对于计算机硬件和软件的性能和功能起着至关重要的作用。
计算机语言指令集可以分为不同的层次和类型。
最底层的是机器码指令集，它是二进制形式的指令，直接由计算机硬件执行。
机器码指令集通常由一系列固定长度的二进制数表示，每个数值都对应计算机中的一个特定操作或指令。
高级的计算机语言，如C、Java和Python，是为程序员设计的更易于使用和理解的抽象层级。
这些语言提供了更高级的语法和功能，允许程序员以更自然的方式编写代码，并由编译器或解释器将其转换为机器码指令集。
每种计算机体系结构都有自己的指令集架构（ISA）。
常见的指令集架构包括复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
CISC是一种早期的指令集架构，它使用复杂的指令，其中包含多个操作，如加载、存储、运算和逻辑操作。
这些指令可以执行复杂的任务，但其设计和实现相对复杂，并且往往需要更多的硬件资源。
RISC是一种更现代化的指令集架构，它使用精简的指令，每个指令只执行一个最基本的操作。
RISC指令集架构通过精简指令和对硬件设计的优化，实现了更高的执行效率和更简单的设计。
此外，RISC还具有更好的编译器支持，可以更好地针对指令进行优化，提高程序的性能。
除了CISC和RISC之外，还有一些其他的指令集架构，如超大规模集成电路（VLIW）和可配置计算（CC）。
VLIW使用长期指令字的并行处理，将多个指令打包在一起，以提高处理器的并行度和性能。
CC 指令集架构可以根据应用程序的需求进行灵活的修改和定制。
计算机语言指令集的设计和实现需要考虑多个因素。
首先是指令的功能和操作的灵活性，以满足各种计算任务的需求。
其次是指令的简洁性和易于理解性，以便于程序员编写和调试代码。
此外，指令的执行效率和硬件资源的利用也是指令集设计的重要考虑因素。
指令系统结构设计
指令系统结构设计一、引言现代科技的发展使得人与机器之间的交流变得越来越频繁，指令系统作为人与机器之间的桥梁，起着至关重要的作用。
本文将从指令系统的定义、结构和设计原则等方面进行论述，旨在探讨如何设计一个高效、可靠的指令系统。
二、指令系统的定义指令系统是计算机硬件和软件之间的接口，它规定了计算机处理器执行的指令的格式、操作码和操作数的含义以及执行指令的控制流程。
指令系统可以看作是计算机的"语言"，它通过指令的组合和执行来完成各种任务。
三、指令系统的结构指令系统的结构包括指令的分类、指令的格式和指令的执行方式。
1. 指令的分类指令可以分为数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。
数据传输指令用于在寄存器和内存之间传输数据；算术运算指令用于进行数值计算；逻辑运算指令用于进行逻辑运算(如与、或、非等)；控制转移指令用于改变程序的执行顺序。
2. 指令的格式指令的格式包括操作码、操作数和寻址方式等。
操作码用于指定指令的类型，操作数用于指定指令的操作对象，寻址方式用于指定操作数的地址计算方式。
3. 指令的执行方式指令的执行方式包括顺序执行、条件执行和并行执行等。
顺序执行是指按照指令的顺序依次执行；条件执行是指根据条件判断是否执行某条指令；并行执行是指同时执行多条指令。
四、指令系统的设计原则1. 简洁性指令系统应该尽量简洁，避免不必要的复杂性。
简洁的指令系统可以提高程序的执行效率，减少硬件成本。
2. 完备性指令系统应该具备足够的功能，能够支持各种常见的操作。
完备的指令系统可以满足用户的各种需求，提高计算机的通用性。
3. 易于理解和使用指令系统应该易于理解和使用，用户可以通过简单的指令就能完成复杂的操作。
易于理解和使用的指令系统可以降低用户的学习成本，提高用户的工作效率。
4. 高效性指令系统应该尽量提高程序的执行效率，减少指令的执行时间和资源的消耗。
高效的指令系统可以提高计算机的运行速度，提高计算机的工作效率。
计算机系统结构第2章
计算机系统结构第2章第⼆章指令系统第⼀节指令系统设计概述⼀、指令系统概述1、指令系统的设计、应⽤及实现(1)指令系统的设计*机器指令：计算机硬件实现的运算或操作的命令；第i 种格式：OP i A 1A 2编码⽰例：00110 000~111 000~111功能⽰例：A 1←(A 1)+(A 2)第j 种格式：OP j A 编码⽰例：10110 000~111功能⽰例：A←(A)+1*指令系统设计：定义所有机器指令的格式(含编码)。
*指令系统：所有机器指令的集合；第1种：第2种：…第n 种：OP 1A 1A 2OP 2A OP n A 1A 2…(2)指令系统的应⽤第i种指令应⽤⽰例a：00110 000 001 功能AH←(AH)+(AL)⽰例b：00110 011 000 功能BL←(BL)+(AH)应⽤程序⽰例：从主存地址为2000H开始的100个元素累加求和机器指令格式机器指令程序汇编程序1011wreg data 1011001001100100 CX←1001011100100000000 00100000LP：BX←2000H1011000000000000 AL←0 0000000w mod reg r/m 0000000100000111AL←AL+[BX] 01000reg 01000001 BX←BX+1 11100010 disp 11100010 11111000 LOOP LP*指令系统应⽤：按指令格式要求，根据应⽤需要、编写程序中的指令(即指令格式的实例)。
(3)指令系统的实现指令功能实现步骤—ID 对IR 的OP 译码，⽤输出信号控制某⼀部件⼯作；ID 对IR 的A 译码，⽤输出信号控制相关REG 的读/写；信号有效时间由时序部件及该指令功能实现步骤决定。
指令操作或运算—部件功能实现及数据传递等的组合。
*指令系统实现：按指令格式要求，⽤硬件实现指令功能。
*设计/应⽤实现三者关系：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。
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◆ 直接执行型高级语言机器 高级语言就作为机器语言，直接由硬件或
固件对高级语言源程序的语句逐条进行解释以 执行它。 3. 面向操作系统的优化实现改进指令系统
操作系统的实现在很大程度上取决于体系结 构的支持。 (1) 主要表现在对以下方面的支持
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中断处理 进程管理 存储管理和保护 系统工作状态的建立与切换 (2) 设置指令 支持系统工作状态和访问方式转移的指令 支持进程转移的指令 支持进程同步和互斥的指令
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2.3.2 RISC指令集功能的设计
1. CISC结构存在的缺点 (1) 在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频 率相差悬殊。 (2) CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系 结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成 本，而且还容易造成设计错误。 (3) CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了 很大负担，不利于单片集成。
字符串
字符串移动、字符串比较、字符串搜索等。
图形
象素操作、压缩/解压操作等。
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2. 一种指令集结构中的指令到底要支持哪些类型的 操作？ (指令集结构功能设计问题) 两种截然不同的方向： ◆ 复杂指令集计算机（CISC） 强化指令功能，实现软件功能向硬件功能转移。 ◆ 精简指令集计算机（RISC） 尽可能地降低指令集结构的复杂性，以达到 简化实现，提高性能的目的。 当今指令集结构功能设计的一个主要趋势。
更加有效，克服CISC结构的缺点，使机器速度更 快，程序运行时间缩短，从而提高计算机系统的 性能。 (3) 设计原则
选取使用频率最高的指令，并补充一些最有 用的指令；
每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机 器周期内完成；
所有指令长度均相同；
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只有Load和Store操作指令才访问存储器; 其它指令操作均在寄存器之间进行； 以简单有效的方式支持高级语言。
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2.3.1 CISC指令集结构的功能设计
CISC结构追求的目标： 强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到
提高性能的目的。 增强指令功能主要是从如下几个方面着手： 1. 面向目标程序增强指令功能
提高运算型指令功能 提高传送指令功能 增加程序控制指令功能
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2.面向高级语言和编译程序改进指令系统 (1) 增加对高级语言和编译系统支持的指令功能 ◆ 对源程序中各种高级语言语句进行使用频 度的统计与分析，对于使用频度高的语句， 可以设置专门的指令或采取措施增加相应 令的功能，以提高其编译速度和执行速度。 ◆ 从面向编译程序，尤其是从优化代码生成 的角度进行考虑，增加指令集结构的规整 性来改进指令系统。
比较操作是分支指令的一部 分，通常这种比较是受一定 限制的。
一条指令完成 了两条指令的 功能。
占用了一个寄存器。 分支指令的操作增多。
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3. 分支目标地址的表示 PC－相对寻址：在指令中提供一个和程序计数 器（PC）的值相加的偏移量。 (1) 有效地缩短指令中表示目标地址的字段的 长度； (2) 使得代码在执行时与它被载入的位置无关。 关键问题是： 转移目标离当前控制指令的偏移量有多大？
测试分支条件的方法
优点
缺点
条件码 （CC）
在 程 序 的 控 制 下 ， 由 ALU 操 作设置特殊的位。
可以自由设置 分支条件。
CC 是 额 外 状 态 ， 条 件 码 限 制了指令顺序，因为必须从 一条指令将分支条件信息传 送到分支指令。
条件寄 根据比较结果测试条件寄存 存器 器。
简单
比较且 分支
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过程 P1 保存状态
调用 返回
恢复状态
过程 P2
过程 P1 R1
调用
执行
返回 R1
过程 P2 R1
保存状态 调用 返回
恢复状态 R1
过程 P3 R1
保存状态
执行
恢复状态 R1
(a) 调用者保存
(b) 被调用者保存 图 2.6 过程调用中寄存器内容的两种保存策略
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4. 过程调用和返回的状态保存 两种方法来保存寄存器的内容： (1) “调用者保存”方法 在一个调用者调用别的过程时，必须保存调用 者所要保存的寄存器，以备调用结束返回后，能够 再次访问调用者。 (2) “被调用者保存”方法 被调用的过程必须保存它要用的寄存器，保证 不会破坏过程调用者的程序执行环境，并在过程调 用结束返回时，恢复这些寄存器的内容。
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(4) CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很 复杂的操作，因而运行速度慢。
(5) 在CISC结构的指令系统中，由于各条指令的功 能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结 构技术（如流水技术）来提高系统的性能。
2. RISC计算机 (1) 指令系统只包含那些使用频率很高的指令 和一些必要指令。 Intel 80X86最常用的十条指令
2.3 指令集结构的功能设计
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1. 指令集中操作的分类
ห้องสมุดไป่ตู้
操作类型
实例
算 术 和 逻 整数的算术和逻辑操作：加、减、与、或等。 辑运算
数据传输 Load/Store
控制 系统 浮点 十进制
分支、跳转、过程调用和返回、自陷等。 操作系统调用、虚拟存储器管理等。 浮点操作：加、乘等。 十进制加、十进制乘、十进制到字符的转换。
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Intel 80X86最常用的十条指令
执行频率排 序
1 2
80X86指令
Load 条件分支
指令执行频率（％执行指令总数） 22％ 20％
3
比较
16％
4
Store
12％
5
加
8％
6
与
6％
7
减
5％
8
寄存器－寄存器间
4％
数据移动
9
调用
1％
10
返回
1％
合计
96％
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(2) 目的 使得计算机体系结构更加简单、更加合理和
2.3.3 控制指令
(1) 跳转: 当控制指令为无条件改变控制流时， 称之为“跳转”。
(2) 分支：当控制指令是有条件改变控制流时， 称之为“分支”。
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(3) 控制流程的各种改变情况 条件分支 跳转 过程调用 过程返回
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1. 控制指令的使用频率 （一台Load/Store型指令集结构的机器： SPECint92、Specfp92基准程序）
100% 80% 60% 40% 20% 0%
Õû ÐÍ Æ½ ¾ù ¸¡ µã ƽ ¾ù
13% 11% µ÷Óà /· µ »Ø
6% 4% Ìø × ª
81% 87% Ìõ ¼þ · Ö Ö§
改变控制流的大部分指令是条件分支指令。
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2. 常用的三种表示分支条件的技术及其优缺点
表示分 支条件 的技术
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规整性：没有或尽可能减少例外的情况和特殊的 应用，以及所有运算都能对称、均匀地 在存储器单元或寄存器单元之间进行。
(2) 高级语言计算机指令系统 ◆ 面向高级语言(HL)的机器 缩小机器语言和高级语言的语义差距。 ◆ 间接执行型高级语言机器 高级语言和机器语言是一一对应的，用汇 编的方法(可以用软件实现，也可以用硬件实 现)把高级语言源程序翻译成机器语言程序。