第2章 指令系统

第一章、概论

1、在计算机系统的层次结构中，从低层到高层，各层相对顺序正确的是（ ）。

A．汇编语言机器级——操作系统机器级——高级语言机器级

B．微程序机器级——传统机器语言机器级——汇编语言机器级

C．传统机器语言机器级——高级语言机器级——汇编语言机器级

D．汇编语言机器级——应用语言机器级——高级语言机器级

2、直接执行微指令的是（ ）。

A．汇编程序 B．编译程序 C．硬件 D．微指令程序

3、在计算机的系统结构设计中，提高硬件功能实现的比例会（ ）。

A．提高硬件利用率 B．提高系统的运行速度

C．减少需要的存储器量 D．提高系统的性能价格比

4、在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会（ ）。

A．提高解题速度 B．减少需要的存储器量

C．提高系统的灵活性 D．提高系统的性能价格比

5、在CISC中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。大约有 （比例）的指令使用频度较高，占据了 （比例）的处理机时间。

名词解释：CPI、 Amdahl定律、局部性原理、透明性

1、 计算机系统的Flynn分类法是按什么来分类的，共分为哪几类，简要说明各类的特征。

2、如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K ns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需用多少时间。

4、用一台40MHZ处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：

求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。

5、假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，那么采用Cache后能使整个存储系统获得多高的加速币？

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。

第二章 计算机指令集结构设计

名词解释

1. 堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。

2. 累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。

3. 通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。

4. CISC——复杂指令集计算机。

5. RISC——精简指令集计算机。

@

2.2 堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点

指令集结构类型 优点 缺点

堆栈型 是一种表示计算的简单模型；指令短小。 堆栈不能被随机访问，从而很难生成有效代码。同时，由于堆栈是瓶颈，所以很难被高效地实现。

累加器型 > 减小了机器的内部状态；指令短小。 由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大。

寄存器型 是代码生成最一般的模型。 所有操作数均需命名，且显式表示，因而指令比较长。

2.3 常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些

指令集结构类型 ~

优 点 缺 点

寄存器－寄存器型（0,3） 简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。 和指令中含有对存储器操作数访问的结构相比，指令条数多，因而其目标代码较大。

寄存器－存储器型（1,2） 可以直接对存储器操作数进行访问，容易对指令进行编码，且其目标代码较小。 指令中的操作数类型不同。在一条指令中同时对一个寄存器操作数和存储器操作数进行编码，将限制指令所能够表示的寄存器个数。由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（3,3） 是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。 指令字长多种多样。每条指令的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瓶颈问题。

指令集结构设计所涉及的内容有哪些

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：A1←(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←2000H

1011000000000000 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：