第四章 指令系统1.什么叫指令?什么叫指令系统?指令是计算机为完成某种操作而发出的命令一条指令通常由操作码和地址码组成。指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。2.指令的数据寻址方式有哪些?隐含寻址累加寄存器AC作为第二操作数地址立即寻址操作数直接包含在指令中操作数 A直接寻址指令中的地址就是操作数地址EA A间接寻址指令中的地址存放的是操作数地址EA (A)寄存器寻址操作数存放在寄存器中EA R寄存器间接寻址寄存器中存放操作数地址EA ®基址寻址有效地址由地址码和基址寄存器内容相加得到EA (BR) A变址寻址有效地址由地址码和变址寄存器内容相加得到EA (IX) A相对寻址有效地址由程序计数器和地址码相加得到。EA (PC) A堆栈寻址 EA 栈顶第五章 中央处理器1.简述机器指令和微指令的关系机器指令是计算机能够直接执行的基本指令存放在主存中由操作码和地址码组成。微指令是微程序控制器中的控制指令用于产生控制信号控制计算机各部件完成微操作。二者关系是一条机器指令的执行通常需要若干条微指令来完成这些微指令按顺序组成微程序从而实现机器指令的功能。2.说明CPU中有哪些寄存器?它们的功能是什么?程序计数器PC存放下一条将要执行的指令地址。指令寄存器IR存放当前正在执行的指令。存储器地址寄存器MAR存放要访问的存储单元地址。存储器数据寄存器MDR存放从主存读出或写入主存的数据。通用寄存器暂存操作数和运算结果。程序状态字寄存器PSW保存程序运行状态信息。3.RISC机器具有什么优点试简单论述对比项目/类别CISCRISC指令系统复杂、庞大简单、精简指令数目一般大于200条一般小于100条指令字长不固定定长可访存指令不加限制只有LOAD/STORE指令各种指令执行时间相差较大绝大多数在一个周期内完成各种指令使用频度相差很大都比较常用通用寄存器数量较少多目标代码难以用优化编译程序生成高效的目标代码程序采用优化的编译程序生成代码较为高效控制方式绝大多数为微程序控制绝大多数为组合逻辑控制指令流水线可以通过一定方式实现必须实现4.CPU的功能是什么?由什么组成?CPU中央处理器的主要功能是执行程序和控制计算机各部件协调工作。具体包括指令控制从存储器取出指令并进行译码和执行。操作控制产生各种控制信号控制计算机各部件按指令要求工作。时间控制按时钟节拍协调各部件操作顺序。数据加工对数据进行算术运算和逻辑运算。中断处理对计算机运行过程出现的异常情况进行处理。CPU主要由运算器和控制器两部分组成运算器算术逻辑单元ALU、通用寄存器、暂存寄存器、累加寄存器、程序状态字寄存器、移位器、计数器控制器程序计数器、指令寄存器、指令译码器、微操作信号发生器、时序系统、地址寄存器、数据寄存器5.什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系?时钟周期时钟信号的一个周期是计算机中最基本的时间单位。机器周期又称CPU周期完成一个基本操作如取指、访存所需的时间一般由若干个时钟周期组成。指令周期CPU取出并执行一条指令所需要的全部时间。三者关系一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期又包含若干个时钟周期。7.区分微命令、微操作、微指令和微程序微程序实现一条机器指令功能的一组微指令的集合。微指令若干微命令的组合是微程序控制器中的控制指令用于产生控制信号控制计算机各部件完成微操作。微操作在一个时钟周期内完成的最基本操作如寄存器之间的数据传送或简单运算。微命令控制某个微操作执行的控制信号。8.简述硬布线控制器和微程序控制器的比较硬布线控制器利用组合逻辑电路直接产生控制信号速度快但结构固定、设计复杂不易修改。微程序控制器通过执行存放在控制存储器中的微程序产生控制信号设计灵活、易于修改和扩展但执行速度较慢。比较方面硬布线控制器微程序控制器实现方式由逻辑电路直接产生控制信号由微程序产生控制信号执行速度快较慢设计难度设计复杂设计较简单修改与扩展不易修改易修改、扩展方便适用场景指令系统简单、速度要求高指令系统复杂9.说明并比较微指令格式的种类水平型微指令各控制位直接对应控制信号可并行发出控制信号执行速度快但微指令字长较长。垂直型微指令采用编码方式表示控制信号需要译码后产生控制信号微指令字长较短但执行速度较慢。混合型微指令结合水平型和垂直型的特点部分字段直接控制部分字段编码字长和性能介于两者之间。10.简述提高并行性的技术途径时间并行采用流水线技术使不同操作在不同时间阶段重叠执行。空间并行设置多个运算部件或多处理器使多个任务同时执行。时间并行空间并行时间重叠和资源重复如超标量流水技术。11.说明流水线中的主要问题和解决方法结构相关多条指令同时使用同一硬件资源引起冲突可通过硬件阻塞或增加硬件资源。数据相关后一条指令依赖前一条指令的运算结果可通过硬件阻塞、转发旁路技术不能解决Load-use数据冒险。控制相关由于分支或转移指令导致指令执行顺序不确定可采用将转移指令后一条指令的IF段硬件阻塞3个时钟。
计算机组成原理（四-五章）
第四章 指令系统1.什么叫指令?什么叫指令系统?指令是计算机为完成某种操作而发出的命令一条指令通常由操作码和地址码组成。指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。2.指令的数据寻址方式有哪些?隐含寻址累加寄存器AC作为第二操作数地址立即寻址操作数直接包含在指令中操作数 A直接寻址指令中的地址就是操作数地址EA A间接寻址指令中的地址存放的是操作数地址EA (A)寄存器寻址操作数存放在寄存器中EA R寄存器间接寻址寄存器中存放操作数地址EA ®基址寻址有效地址由地址码和基址寄存器内容相加得到EA (BR) A变址寻址有效地址由地址码和变址寄存器内容相加得到EA (IX) A相对寻址有效地址由程序计数器和地址码相加得到。EA (PC) A堆栈寻址 EA 栈顶第五章 中央处理器1.简述机器指令和微指令的关系机器指令是计算机能够直接执行的基本指令存放在主存中由操作码和地址码组成。微指令是微程序控制器中的控制指令用于产生控制信号控制计算机各部件完成微操作。二者关系是一条机器指令的执行通常需要若干条微指令来完成这些微指令按顺序组成微程序从而实现机器指令的功能。2.说明CPU中有哪些寄存器?它们的功能是什么?程序计数器PC存放下一条将要执行的指令地址。指令寄存器IR存放当前正在执行的指令。存储器地址寄存器MAR存放要访问的存储单元地址。存储器数据寄存器MDR存放从主存读出或写入主存的数据。通用寄存器暂存操作数和运算结果。程序状态字寄存器PSW保存程序运行状态信息。3.RISC机器具有什么优点试简单论述对比项目/类别CISCRISC指令系统复杂、庞大简单、精简指令数目一般大于200条一般小于100条指令字长不固定定长可访存指令不加限制只有LOAD/STORE指令各种指令执行时间相差较大绝大多数在一个周期内完成各种指令使用频度相差很大都比较常用通用寄存器数量较少多目标代码难以用优化编译程序生成高效的目标代码程序采用优化的编译程序生成代码较为高效控制方式绝大多数为微程序控制绝大多数为组合逻辑控制指令流水线可以通过一定方式实现必须实现4.CPU的功能是什么?由什么组成?CPU中央处理器的主要功能是执行程序和控制计算机各部件协调工作。具体包括指令控制从存储器取出指令并进行译码和执行。操作控制产生各种控制信号控制计算机各部件按指令要求工作。时间控制按时钟节拍协调各部件操作顺序。数据加工对数据进行算术运算和逻辑运算。中断处理对计算机运行过程出现的异常情况进行处理。CPU主要由运算器和控制器两部分组成运算器算术逻辑单元ALU、通用寄存器、暂存寄存器、累加寄存器、程序状态字寄存器、移位器、计数器控制器程序计数器、指令寄存器、指令译码器、微操作信号发生器、时序系统、地址寄存器、数据寄存器5.什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系?时钟周期时钟信号的一个周期是计算机中最基本的时间单位。机器周期又称CPU周期完成一个基本操作如取指、访存所需的时间一般由若干个时钟周期组成。指令周期CPU取出并执行一条指令所需要的全部时间。三者关系一个指令周期包含若干个机器周期一个机器周期又包含若干个时钟周期。7.区分微命令、微操作、微指令和微程序微程序实现一条机器指令功能的一组微指令的集合。微指令若干微命令的组合是微程序控制器中的控制指令用于产生控制信号控制计算机各部件完成微操作。微操作在一个时钟周期内完成的最基本操作如寄存器之间的数据传送或简单运算。微命令控制某个微操作执行的控制信号。8.简述硬布线控制器和微程序控制器的比较硬布线控制器利用组合逻辑电路直接产生控制信号速度快但结构固定、设计复杂不易修改。微程序控制器通过执行存放在控制存储器中的微程序产生控制信号设计灵活、易于修改和扩展但执行速度较慢。比较方面硬布线控制器微程序控制器实现方式由逻辑电路直接产生控制信号由微程序产生控制信号执行速度快较慢设计难度设计复杂设计较简单修改与扩展不易修改易修改、扩展方便适用场景指令系统简单、速度要求高指令系统复杂9.说明并比较微指令格式的种类水平型微指令各控制位直接对应控制信号可并行发出控制信号执行速度快但微指令字长较长。垂直型微指令采用编码方式表示控制信号需要译码后产生控制信号微指令字长较短但执行速度较慢。混合型微指令结合水平型和垂直型的特点部分字段直接控制部分字段编码字长和性能介于两者之间。10.简述提高并行性的技术途径时间并行采用流水线技术使不同操作在不同时间阶段重叠执行。空间并行设置多个运算部件或多处理器使多个任务同时执行。时间并行空间并行时间重叠和资源重复如超标量流水技术。11.说明流水线中的主要问题和解决方法结构相关多条指令同时使用同一硬件资源引起冲突可通过硬件阻塞或增加硬件资源。数据相关后一条指令依赖前一条指令的运算结果可通过硬件阻塞、转发旁路技术不能解决Load-use数据冒险。控制相关由于分支或转移指令导致指令执行顺序不确定可采用将转移指令后一条指令的IF段硬件阻塞3个时钟。
