计算机指令集结构设计--指令集结构的功能设计
计算机基础——指令与程序
计算机基础——指令与程序⼀、指令是什么我们通过学习，知道计算机的⼯作核⼼是——取指执⾏，所以指令的重要性不⾔⽽喻。
指令：通知CPU执⾏某种操作的“命令”，如AX+BX→AX指令就是让CPU将AX寄存器和BX寄存器中的数相加，并将结果放⼊AX寄存器中。
所以，指令是CPU操作的基本单位，⽽。
⼆、指令集指令集：所有指令构成的集合三、机器指令机器指令：将指令编码成为⼆进制格式的序列，如指令AX+BX→AX对应的机器指令为0000001111000011早期计算机的程序设计⼤多直接使⽤机器指令，程序员设计好程序后，将构成程序的机器指令对应的⼆进制序列通过打孔纸带的⽅式输⼊计算机中，程序在计算机中运⾏完毕后得到处理结果。
四、符号指令⽤机器指令进⾏程序设计及其输⼊过程不仅很烦琐，还容易出错。
直到符号指令的诞⽣才解决了机器指令带来的问题。
符号指令：将指令表⽰成字符串形式的序列，如指令AX+BX→AX对应的符号指令为ADD AX, BX显然，符号指令更容易编写和输⼊，所以⽬前在编写汇编语⾔程序时⼀般都采⽤符号指令。
在源代码程序编译为机器代码程序的过程中，通过汇编⼯具程序将符号指令转换为对应的机器指令。
⼀条符号指令对应的机器指令⼀般由若⼲字节构成，在存储器中连续存放。
指令在存储器中占⽤的字节数称为指令长度，其中第⼀个字节所在的存储器单元的地址称为指令地址。
如符号指令“ADD AX, BX”对应的机器指令为0000001111000011，在存储器中占⽤2B，其指令长度为2B，假设⾸字节单元在存储器中的物理地址为12345H，则该条指令的物理地址为12345H。
五、指令集体系结构（Instruction Set Architecture, ISA）指令集编码：指令集对应的机器指令集ISA：指令集和指令集编码六、指令系统指令系统：决定了计算机能做什么，不能做什么任何⼀台计算机都由设计者事先设计了⼀套指令系统更多指令系统的知识---《计算机组成原理》附录：《计算机是怎么⼯作的》：计算机的⼯作过程就是执⾏程序的过程，⽽执⾏程序⼜归结为逐条执⾏指令。
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。
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)基本概念
在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。 只要时间上 互相重叠，就存在并行性。 同时性 两个或多个事件在同一时刻发生的并行性。 并发性 两个或多个事件在同一时间间隔内发生的并行性。 字串位串 每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式。 字串位并 同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。 字并位串 同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。 全并行 同时对许多字的全部位或部分位进行处理。 指令内部并行 单条指令中各微操作之间的并行。 指令级并行 并行执行两条或两条以上的指令。 线程级并行 并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位。 任务级或过程级并行 并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段） ，以子程序或进程为调度单元。 作业或程序级并行 并行执行两个或两个以上的作业或程序。 时间重叠 多个处理过程在时间上相互错开， 轮流使用同一套硬件设备的各个部分， 以加快硬件周转而 赢得速度。 资源重复 通过重复设置资源，尤其是硬件资源，大幅度提高计算机系统的性能。 资源共享 是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 同构型（对称型）多处理机 由多个同类型， 至少担负同等功能的处理机组成， 同时处理同一作业中能并行执行的多个任 务。 异构型（非对称型）多处理机 由多个不同类型，至少担负不同功能的处理机组成，按照作业要求的顺序，利用时间重叠原 理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。 分布处理系统 把若干台具有独立功能的处理机（或计算机）相互连接起来，在操作系统的全盘控制下，统 一协调地工作，而最少依赖集中的程序、数据或硬件。 耦合度 反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。 松散耦合 通过通道或通信线路实现计算机间互连， 共享某些外围设备， 机间的相互作用是在文件或数
复杂指令集和精简指令集
复杂指令集和精简指令集指令集是计算机体系结构的重要组成部分，它是计算机执行程序的指令集合，包括操作码和操作数等元素。
指令集的设计和选择对计算机的性能、成本和可移植性等方面有很大的影响。
主要有两种指令集架构：复杂指令集（Complex Instruction Set Architecture，CISC）和精简指令集（Reduced Instruction Set Architecture，RISC）。
下面我们将详细介绍这两种架构的特点以及各自的优缺点。
一、复杂指令集（CISC）复杂指令集计算机体系结构最早出现在20世纪70年代，其最初的设想是将多条简单的指令合并成一条复杂的指令，以提高指令集的设计效率和程序的执行速度。
复杂指令集计算机单条指令可以针对一个任务执行多个操作，包括算术运算、逻辑运算、存储等操作。
它具有以下特点：1. 指令集较为复杂：CISC体系结构中的指令集合较为庞大，涵盖了多种算术运算、逻辑运算、访问存储器等操作，每条指令执行的操作数目较多。
2. 可以降低程序员的工作量：它具有很强的程序兼容性，程序员可以使用语义丰富、操作多样的指令来编写程序，编程较为简便。
3. 数据传输能力较强：CISC指令集支持多种地址寻址方式，可以通过一条指令传输大块数据，节省了时间和空间。
4. 代码密度较高：CISC指令具有较长的字长和高代码密度，可以使程序占用的内存较小。
5. 对内存的使用相对较少：由于CISC指令集中包含了很多常用的命令，所以相对于RISC指令集，CISC指令可以使程序的执行速度更快，CPU可以少使用内存。
不过随着时间的推移，CISC体系结构逐渐暴露出了一些问题。
CISC指令集架构虽然功能强大，但每条指令的执行时间较长，开销很高，导致处理器需要消耗更多的内存和时间来执行指令。
精简指令集计算机体系结构是20世纪80年代提出的一种新型的计算机架构，它的设计思想是通过增加寄存器数量和减少指令集的复杂程度，减少单条指令的执行时间，从而提高处理器的性能和效率。
计算机组成原理 指令系统
IBM 370机的指令格式
8
4 4
4 4 4 12
RR型 RX型 RS型 SI型 SS型
OP
8
R1 R2 R1 X2
4 4
OP
8
B2
4
D2
12
OP
8
R1 R2
8
B2
4 B1 4
D2
12
OP
8
I2
8
D1
12 4 12
OP
L1
B1
D1
B2
D2
图4-1 IBM 370机的指令格式
2.非规整型
操作码字段的位数丌固定，丏分散地放 在指令字的丌同位置上。 PDP-11机（字长16位）的指令分为单 字长、两字长、三字长三种，操作码字段占4 ～16位丌等，可遍及整个指令长度。 显然，操作码字段的位数和位置丌固定 将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设 计复杂化。
入 端口地址 如 出 如 AX, n IN AL, n CPU 的寄存器 OUT n, AL AX CPU 的寄存器 IN AL, DX AX, DX 端口地址 OUT DX, AL AX
4.2 寻址技术
所谓寻址，指的是寻找操作数的地址或下一 条将要执行的指令地址。寻址技术包括编址方 式和寻址方式。
AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST
3. 移位操作 算术移位
逻辑移位
循环移位（带迚位和丌带迚位）
4. 转移 (1) 无条件转移 JMP
(2) 条件转移 结果为零转 （Z = 1） JZ
如
结果溢出转
（O = 1）JO
300 …
完成触収器
结果有迚位转（C = 1）JC 跳过一条指令 SKP
计算机组成与结构2计算机指令
华东师范大学计算机科学技术系
7
二、对指令系统性能的要求
③ 规整性： ⅰ对称性：在指令系统中所有的寄存器和存 储器单元都可同等对待，所有的 指令都可使用各种寻址方式 ⅱ匀齐性：指一种操作性质的指令可以支持 各种数据类型 ⅲ格式一致性：指令长度和数据长度有一定 的关系，以方便处理和存取， 通常为字节长度的整数倍
11
华东师范大学计算机科学技术系
§2 计算机指令
2.1 概述 2.2 计算机硬件的操作
2012
华东师范大学计算机科学技术系
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2.2 计算机硬件的操作
通过指令要求计算机硬件完成算术运算操作： 使用汇编语言的助记符： 算术运算指令 add a,b,c ;(b)+(c)→a 特点：只执行一种操作 有且只有三个操作数(最多) 操作数取自寄存器 计算四个变量的累加和需要三条指令： add a,b,c ;(b)+(c)→a 硬件设计原则1： add a,a,d ;(a)+(d)→a 操作数格式规整， add a,a,e ;(a)+(e)→a 设计简单 13 华东师范大学计算机科学技术系 2012
不同系列的计算机，采用的指令助记符不一样 MIPS是世界上十分流行的一款RISC处理器 2.2 计算机硬件的操作 (Microprocessor without interlocked piped stages） 一、高级语言程序与汇编语言程序的关系 无内部互锁流水级的微处理器 ·把C语言编译成汇编语言（MIPS） 80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的 例1） a=b+c 研究小组研制出来的。MIPS公司在此基础上开发了R系列 d=a-e 的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机 C编译器生成的汇编指令： 公司采用，构成各种工作站和计算机系统。如R3000、 add a,b,c R4000、R10000等
白中英计算机组成原理第4章指令系统(选用)
• 指令系统概述 • 指令格式与寻址方式 • 指令集架构与设计 • 指令执行过程与优化 • 异常处理与中断机制 • 总结与展望
01
指令系统概述
指令系统定义与功能
指令系统定义
指令系统是计算机硬件的语言系统， 也叫机器语言，指机器所具有的全部 用来完成一定功能的指令的集合。
中断周期
如果发生中断请求，则进入中断周期。保存现场信息，跳 转到中断服务程序执行。中断服务程序执行完毕后，恢复 现场信息并返回到原程序继续执行。
05
异常处理与中断机制
异常处理概念及作用
异常处理定义
异常处理是计算机系统中对运行过程中出现 的非正常情况进行检测、识别，并采取相应 措施进行处理的过程。
依赖于其他指令的指令，从而提高执行效率。
实例：某型计算机指令执行过程
取指周期
从存储器中读取指令，并将其放入指令寄存器中。同时， PC（程序计数器）自增，指向下一条指令的地址。
间址周期
如果指令需要访问存储器，则计算操作数的有效地址。
执行周期
根据操作码和操作数执行相应的操作。如果是算术或逻辑 运算，则计算结果；如果是数据传输，则进行数据的读写 操作。
从存储器或寄存器中读取操作数 。
指令执行优化策略探讨
流水线技术
01
将一条指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段由不同的硬
件部件并行执行，从而提高指令执行速度。
分支预测技术
02
对于条件分支指令，采用分支预测技术提前预测分支的转移方
向，减少等待时间。
乱序执行技术
03
允许指令的执行顺序与程序中的顺序不一致，优先执行那些不
指令系统功能
指令系统的设计原理
指令系统的设计原理
指令系统的设计原理主要包括以下几点：
1. 指令集设计：指令集是计算机通过操作码进行操作的一组指令集合。
在设计指令集时，要考虑到计算机的性能、资源使用效率、指令的多样性和易用性等因素。
常见的指令集包括精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。
2. 指令格式设计：指令格式指的是指令的布局和组织方式。
通常包括操作码、寄存器地址、内存地址和立即数等字段。
指令格式的设计要尽可能简洁明了，在满足操作需求的同时，尽量减少指令的长度，以提高指令的执行效率。
3. 寻址方式设计：寻址方式指的是指令中操作数的读写方式。
常见的寻址方式有立即寻址、直接寻址、间接寻址和相对寻址等。
寻址方式的选择要根据计算机的结构、内存管理和数据传输等因素进行合理的设计。
4. 流水线设计：流水线是指将指令执行过程划分为多个阶段，并在不同阶段同时执行不同指令的技术。
流水线设计可以提高计算机的运行效率。
在设计流水线时，需要考虑指令之间的依赖关系、资源冲突和指令流程等因素。
5. 排队调度算法设计：排队调度算法用于确定指令的执行顺序和资源分配，以提高计算机的并发性和效率。
常见的调度算法有先来先服务（FCFS）、最短作业优先（SJF）和时间片轮转等。
调度算法的设计要根据应用场景、任务性质和系
统资源等因素进行综合考虑。
通过合理的指令系统设计，可以提高计算机的执行效率、并发性和资源利用率，提高计算机的性能和可靠性。
计算机组成原理_指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
返回
1
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
23
4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
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2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。