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。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
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。
计算机指令集复习
计算机指令集复习一、引言计算机指令集是计算机系统中的重要组成部分，它定义了计算机可执行的基本操作和数据处理方式。
正确理解和运用指令集对于计算机科学与技术专业的学生来说至关重要。
本文将对计算机指令集进行复习，以帮助读者更好地理解和运用指令集。
二、指令集分类指令集可以按照多种方式进行分类。
根据指令操作码的位数不同，指令集可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
复杂指令集拥有丰富的指令集，一条指令可以完成多个操作，而精简指令集则追求简单和高效，每条指令只能执行一个操作。
三、指令格式不同的计算机体系结构采用不同的指令格式。
常见的指令格式包括三地址指令格式、两地址指令格式、一地址指令格式和零地址指令格式。
1. 三地址指令格式三地址指令格式是指一条指令中包含三个操作数的格式。
例如，ADD A, B, C表示将操作数B和C相加，然后将结果存储到操作数A 中。
2. 两地址指令格式两地址指令格式是指一条指令中包含两个操作数的格式。
例如，LOAD A, B表示将操作数B的值加载到操作数A中。
3. 一地址指令格式一地址指令格式是指一条指令中包含一个操作数的格式。
例如，INC A表示将操作数A的值加1。
4. 零地址指令格式零地址指令格式是指一条指令中不包含操作数的格式。
例如，PUSH表示将栈顶元素推入栈中。
四、指令执行过程指令的执行过程可以分为取指令、分析指令和执行指令三个阶段。
1. 取指令取指令是指将指令从内存中读取到指令寄存器中，以便后续的指令分析和执行。
2. 分析指令分析指令是指对指令进行解析，并确定指令对应的操作和操作数。
这一阶段通常包括解码操作码、读取操作数等过程。
3. 执行指令执行指令是指根据指令的操作和操作数进行具体的计算或数据处理。
执行指令的结果可能会对寄存器、内存等状态进行修改。
五、常见指令集常见的计算机指令集包括x86指令集、ARM指令集和MIPS指令集等。
这些指令集都有自己的特点和应用领域。
计算机指令集的设计与实现
计算机指令集的设计与实现计算机指令集是计算机体系结构的基础，它决定了计算机的功能和性能。
指令集的设计和实现是计算机领域的重要研究方向之一，本文将从指令集的定义、设计原则、实现方法等方面进行探讨。
一、指令集的定义指令集是计算机硬件和软件之间的接口，用于描述可供处理器执行的指令集合。
指令集的种类和数量决定了计算机处理器的功能和性能。
指令集通常分为两类：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC），其中RISC指令集通常包含少于100条指令，每条指令执行时间相等，操作数寄存器数较多；而CISC指令集通常包含几百条指令，每条指令执行时间不同，操作数寄存器数较少。
二、指令集的设计原则指令集的设计原则是在保证功能的同时提高处理器的性能。
具体原则如下：1.指令集应具有良好的可扩展性和兼容性。
指令集应该能够方便地进行扩展和升级，并能够与其他计算机系统兼容。
2.指令集应该尽量简单化，避免过度复杂。
指令集设计应该遵循KISS原则，即 Keep It Simple, Stupid!3.指令集应该尽可能地使用通用指令，避免多余的指令。
通用指令可以减少指令数量，方便优化编译器。
4.指令集应该尽量减少访存操作，避免瓶颈。
访存操作通常是计算机指令中时间最长的操作，因此需要尽可能减少。
5.指令集应该尽量提高执行效率，避免额外的指令开销。
例如，可采用流水线、多发射等技术提高指令执行效率。
三、指令集的实现方法指令集的实现方法包括微程序控制方式、硬布线控制方式和直接执行控制方式。
1.微程序控制方式微程序控制方式将指令集的每条指令分解成一系列微操作，并将其编写成微程序。
每个微操作对应一段微指令，通过微指令控制硬件的执行。
微程序控制方式具有灵活性好、可扩展性高、易于实现等优点，但微程序存储器容易成为瓶颈。
2.硬布线控制方式硬布线控制方式将指令集的每个指令都对应于一个硬件逻辑电路。
指令集中的每个指令可以直接控制硬件执行。
硬布线控制方式具有快速、效率高等优点，但不易扩展和维护。
计算机指令系统
寻址方式
立即寻址：操作 数直接包含在指 令中
直接寻址：操作 数的地址包含在 指令中
间接寻址：操作 数的地址包含在 寄存器中
变址寻址：操作 数的地址包含在 变址寄存器中
相对寻址：操作 数的地址相对于 程序计数器PC
堆栈寻址：操作 数的地址包含在 堆栈中
简单性
指令功能单一，避 免复杂指令组合
● 复杂指令集计算机（CISC）：指令丰富，执行效率高，但设计复杂，功耗较高 ● 精简指令集计算机（RISC）：指令精简，执行效率较低，但设计简单，功耗较低 ● 超长指令字（VLIW）：将多个指令组合成一个超长指令，提高执行效率 ● 单指令多数据流（SIMD）：一条指令可以同时对多个数据进行操作，提高执行效率 ● 向量指令集（VLIW）：将多个指令组合成一个向量指令，提高执行效率 ● 硬件线程指令集（HTISC）：通过硬件线程技术，提高执行效率 ● 微程序控制指令集（Microcode）：通过微程序控制技术，提高执行效率 ● 堆栈指令集（Stack）：通过堆栈技术，提高执行效率 ● 流水线指令集（Pipeline）：通过流水线技术，提高执行效率 ● 超线程指令集（Hyper-Threading）：通过超线程技术，提高执行效率
应用：广泛应用于 4
各种处理器，如 CPU、GPU等
优点：提高指令执 行速度，减少指令
2 执行时间
3
实现方式：通过硬
件和软件的优化，
实现指令执行的并
行化
超线程技术
超线程技术是一种在单个处理器内 部实现多个线程的技术。
超线程技术可以减少处理器的空闲 时间，提高系统的性能。
超线程技术可以充分利用处理器பைடு நூலகம் 部的资源，提高处理器的利用率。
指令级并行可以通过流水线技术、分支预测技术、 指令级并行技术等实现。
计算机系统结构 第 2 章 指令集结构
2.1 指令系统结构的分类
• • • • • • 1. 指令系统分类的准则 ⑴ 在CPU中操作数的存放方法。 ⑵ 在每条指令中，显式指明的操作数个数。 ⑶ 操作数的寻址方式。 ⑷ 指令系统所提供的操作类型。 ⑸ 操作数的类型与大小。
2014-3-8
10
2.指令系统结构的分类
• • • • 按在CPU中操作数的存放方法可分为： ⑴ 堆栈型 ⑵ 累加器型 ⑶ 通用寄存器型
2014-3-8
21
4. 编址单位
• ⑴ 字编址：以访问一次设备所获得的信息量 为单位进行编址。 • ⑵ 字节编址：以字节为单位进行编址。 • ⑶ 位编址：按二进制位编址。
2014-3-8
22
按字节编址时需解决的问题
• ① 多字节数据的存放顺序 • 小端排序：将一个字中的低位字节存放在低地址 单元中。 • 大端排序：将一个字中的高位字节存放在低地址 单元中。 • 小端排序符合从右向左进位的硬件习惯；大端排 序符合程序员从左向右的编程习惯。
• 5. 按地址寻址方式（略，P47）
• 寻址方式的使用频度：
• R寻址->直接->变址->单字位移->自增->R间址->自减 • 高 -------------------------- 低
2014-3-8
26
2.2.2 按内容访问方式
• • • • • 1. 按内容访问方式 按照要访问的数据的内容访问内存。 2. 联想存储器（相联存储器、按内容访问存储器） 满足按内容访问方式的存储器。 联想存储器的主要特点：以并行方式在存储器中 查找所需信息的内容。 • 3. 按内容访问的方法 • 通过硬件将要访问的内容与存储单元的内容进行 比较，若相同，则进行访问。
指令集与架构
指令集与架构复杂指令集与精简指令集两种主要的计算机处理器体系结构：CISC（Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机）RISC（Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机）CISC（复杂指令集）即冯·诺依曼结构（普林斯顿结构），指令与数据存储在同⼀存储器中；采⽤CISC结构的处理器，指令线与数据线分时复⽤；程序指令存储地址与数据存储地址指向同⼀个存储器的不同物理位置，则程序指令和数据的宽度相同；取指令与取数据不能同时进⾏，速度受限；Intel 8051、Motorola MC68xxx、Atmel AT89通俗理解：我们要命令⼀个⼈吃饭，那么我们应该怎么命令呢？我们可以直接对他下达“吃饭”的命令，也可以命令他“先拿勺⼦，然后舀起⼀勺饭，然后张嘴，然后送到嘴⾥，最后咽下去”。
从这⾥可以看到，对于命令别⼈做事这样⼀件事情，不同的⼈有不同的理解，有⼈认为，如果我⾸先给接受命令的⼈以⾜够的训练，让他掌握各种复杂技能（即在硬件中实现对应的复杂功能），那么以后就可以⽤⾮常简单的命令让他去做很复杂的事情——⽐如只要说⼀句“吃饭”，他就会吃饭。
RISC（精简指令集）即哈佛结构，指令与数据存储于两个不同的存储空间；程序存储器与数据存储器相互独⽴，独⽴编址，独⽴访问；分离的程序总线与数据总线在⼀个机器周期中，可同时获得指令字和操作数，提⾼执⾏效率；取指令和取数据同时进⾏，且⼀般指令线宽与数据线，可包含更多的处理信息；Motorola/IBM PowerPC、Atmel AVR、Microchip PIC、ARM通俗理解：有⼈认为这样吃饭整套流程会让事情变的太复杂，毕竟接受命令的⼈要做的事情很复杂，如果你这时候想让他吃菜怎么办？难道继续训练他吃菜的⽅法？我们为什么不可以把事情分为许多⾮常基本的步骤，这样只需要接受命令的⼈懂得很少的基本技能，就可以完成同样的⼯作，⽆⾮是下达命令的⼈稍微累⼀点——⽐如现在我要他吃菜，只需要把刚刚吃饭命令⾥的“舀起⼀勺饭”改成“舀起⼀勺菜”。
机器指令集的组成
即时练习
2.以下有关计算机硬件组成的叙述中，错误的是 （ ）。 A. CPU主要由寄存器、算术逻辑部件ALU和控制 部件CU组成 B. 主机主要由CPU和主存储器组成 C. 辅存和输入/输出设备构成外部设备 D. 主机和外部设备构成一个完整的计算机系统
第二章 机器指令集的组成
外设与主存之间交换一批数据（且外设速度较高 时）。 2. DMA控制器只能控制简单传送。
第二章 机器指令集的组成
第三节 主机与I/O间的数据通路与信息交换方式
2、主机与外设间信息交换方式 通道和IOP（输入输出处理机）方式 z 通道——专门的硬件装置，具有自己的指令系
统，可以控制I/O操作和信息传送，代替CPU管理 和调度各外设与主机交换信息。 z CPU操作和通道的输入输出操作可以并行。 z IOP（输入输出处理机）——可以完成通道的所有 工作，并可完成码制转换、格式处理、数据块纠 错与校正等操作。
1通用寄存器2暂存器3irinstructionregister4pcprogramcounter5状态寄存器pswprogramstatusword程序状态字1alu部件与寄存器第二章机器指令集的组成控制总线cb2总线bus第二章机器指令集的组成3cpu内部数据通路marmdr系统总线r0r1rnt1t2alupcir内部总线单总线数据通路第二章机器指令集的组成采用三总线结构的cpu数据通路ir多路开关多路开关暂存器t2暂存器t1mdrmaralur0r1rnalu输出总线寄存器数据总线输入数据总线3cpu内部数据通路第二章机器指令集的组成cpu通过marmdr与主存传送信息
（2）总线接口部件（BIU--Bus Interface Unit)完成CPU 与主存或外设之间的数据传送。
计算机指令集架构
计算机指令集架构计算机指令集架构是计算机体系结构中的一个重要组成部分，它定义了计算机硬件与软件之间的接口和指令的格式。
本文将介绍计算机指令集架构的基本概念、发展历程以及目前常见的指令集架构类型。
一、概述计算机指令集架构是计算机硬件和软件之间的桥梁，它决定了计算机的运行方式和能够执行的指令集。
指令集架构可以分为复杂指令集架构（CISC）和精简指令集架构（RISC）两大类型。
二、CISC指令集架构CISC指令集架构以复杂的指令集合和多种寻址方式为特点。
CISC 处理器具有较大的指令集合和复杂的指令格式，能够直接执行复杂的操作，如乘法、除法和浮点运算等。
CISC指令集架构的代表性产品包括Intel的x86架构和AMD的x86-64架构。
三、RISC指令集架构RISC指令集架构以精简的指令集合和固定的指令长度为特点。
RISC处理器采用精简的指令格式和简单的指令规则，具有执行速度快和节能的优势。
RISC指令集架构的代表性产品包括ARM架构和MIPS 架构。
四、发展历程计算机指令集架构的发展经历了多个阶段。
早期的计算机采用的是固定指令长度和硬布线的硬连线指令集架构，后来发展出微程序控制的硬连线指令集架构。
随着计算机应用需求的增加，CISC指令集架构逐渐兴起并取得了一定的发展。
但是，由于CISC指令集的复杂性和庞大性，RISC指令集架构逐渐得到了关注并取得了较大的成功。
五、指令集架构类型除了CISC和RISC指令集架构外，还存在一些其他类型的指令集架构。
例如，超标量指令集架构（Superscalar Architecture）允许多个指令同时执行，提高了处理器的执行效率。
向量指令集架构（Vector Architecture）可以高效地执行向量运算，广泛应用于科学计算和多媒体处理。
还有一些特殊用途的指令集架构，如浮点指令集架构（Floating-Point Architecture）和并行指令集架构（Parallel Architecture）等。
计算机结构分类
计算机结构分类
计算机结构可以根据不同的分类方法进行划分。
以下是几种常见的分类方式：
1. 存储结构分类：根据存储器在计算机系统中的作用，可以将计算机结构分为存储器层次结构和存储器类型结构。
存储器层次结构包括高速缓存、主存和辅助存储器等不同层次的存储器，而存储器类型结构包括读写存储器、只读存储器和虚拟存储器等不同类型的存储器。
2. 处理单元结构分类：根据处理单元在计算机系统中的不同作用，可以将计算机结构分为中央处理器、输入输出处理器、数学处理器等不同的处理单元结构。
3. 指令集结构分类：根据计算机指令集的特点，可以将计算机结构分为复杂指令集和精简指令集。
复杂指令集指的是计算机具有大量的指令，能够完成复杂的操作，但需要多个时钟周期来完成一条指令。
而精简指令集则指的是计算机具有较少的指令，但每个指令都能够快速地在一个时钟周期内完成。
4. 规模结构分类：根据计算机硬件规模的大小，可以将计算机结构分为小型机、大型机、巨型机等不同的规模结构。
不同的规模结构具有不同的性能和价格，适用于不同的应用场景。
这些分类方式并不是彼此独立的，它们之间存在相互关联的关系。
例如，存储器层次结构和处理单元结构就存在着密切的联系。
因此，在了解计算机结构时，需要从多个角度进行考虑和分析。
计算机系统设计中的体系结构与指令集
计算机系统设计中的体系结构与指令集计算机系统的设计是现代科技发展的核心之一，体系结构与指令集是其中两个重要的方面。
本文将介绍计算机系统设计中的体系结构与指令集的相关内容，并探讨它们对计算机性能和功能的影响。
一、体系结构的概念与分类体系结构是指计算机系统中的硬件和软件组成以及它们之间的协作方式。
从计算机系统的层次结构来看，体系结构位于硬件系统和操作系统之间，起到连接和协调的作用。
根据指令流的不同，体系结构可分为以下两类：单指令流体系结构（SISD）和多指令流体系结构（MISD）。
SISD体系结构是指在计算机系统中只有一条指令流，其运算速度由计算机系统的时钟周期决定；而MISD体系结构则是指在计算机系统中同时存在多条指令流。
二、常见的体系结构类型1. 单指令流单数据流（SISD）体系结构SISD体系结构最早应用于早期的计算机系统中，它的特点是只有一条指令流和一条数据流。
这种体系结构结构简单，易于理解和实现，但计算速度较慢，无法充分发挥计算机系统的潜力。
2. 单指令流多数据流（SIMD）体系结构SIMD体系结构中，计算机系统有一条指令流和多条数据流，即同一时间执行多个数据操作。
这种体系结构适用于大规模并行计算，例如图像处理和向量计算。
3. 多指令流单数据流（MISD）体系结构MISD体系结构是指计算机系统中同时存在多条指令流和一条数据流。
这种体系结构较少应用于实际计算机设计中，主要用于冗余设计和容错处理。
4. 多指令流多数据流（MIMD）体系结构MIMD体系结构是指计算机系统中同时存在多条指令流和多条数据流。
这种体系结构广泛应用于现代计算机系统中，例如分布式计算和多核处理器。
三、指令集的概念与类型指令集是计算机系统中用于操作和控制硬件的指令集合。
指令集的设计直接影响计算机的功能和性能。
根据指令的类型不同，指令集可分为以下几类：复杂指令集计算（CISC）、精简指令集计算（RISC）和虚拟机指令集计算（VMISC）。
计算机语言指令集
计算机语言指令集摘要：1.计算机语言指令集的定义和作用2.计算机语言指令集的发展历程3.计算机语言指令集的分类4.计算机语言指令集的典型代表5.计算机语言指令集的未来发展趋势正文：计算机语言指令集，简称指令集，是计算机语言在底层实现时所依赖的一组基本指令。
指令集定义了计算机能够理解和执行的基本操作，是计算机硬件和软件之间的桥梁。
在计算机发展的初期，指令集主要是硬件厂商为了满足特定计算机体系结构的需求而设计的。
随着计算机技术的进步，指令集逐渐发展成为具有通用性的标准，可以应用于各种不同的计算机体系结构。
从20 世纪50 年代计算机语言指令集诞生至今，已经经历了几代的发展。
最早的计算机语言指令集是基于机器码的，也就是直接操作计算机硬件的二进制指令。
随着高级编程语言的出现，指令集逐渐演变为面向程序员的抽象层次。
在这个过程中，指令集的效率和易用性得到了很大的提升。
目前，指令集已经发展成为具有丰富功能和高度优化的复杂系统，支持多种编程语言和应用场景。
计算机语言指令集主要分为两大类：复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。
复杂指令集具有丰富的指令系统，能够高效地执行各种复杂的操作。
但由于指令的复杂性，硬件实现较为困难，且性能开销较大。
与之相反，精简指令集只包含基本指令，通过指令的流水线和并行处理来提高性能。
虽然精简指令集在某些方面具有优势，但由于其指令系统的限制，可能无法满足一些高级应用的需求。
计算机语言指令集中有很多典型的代表，如英特尔的x86 指令集、ARM 的ARM 指令集和MIPS 的MIPS 指令集等。
这些指令集都具有自己的特点和优势，在不同的应用领域有着广泛的应用。
随着计算机技术的不断发展，计算机语言指令集也在不断演进。
未来的指令集可能会更加关注能效比、安全性和虚拟化等方面的需求。
此外，随着人工智能、大数据和云计算等新技术的兴起，计算机语言指令集可能还需要适应新的应用场景和计算模式。
计算机语言指令集
计算机语言指令集【原创实用版】目录一、计算机语言指令集的定义和作用二、计算机语言指令集的发展历程三、计算机语言指令集的分类四、计算机语言指令集的应用五、计算机语言指令集的未来发展趋势正文一、计算机语言指令集的定义和作用计算机语言指令集，简称指令集，是计算机硬件能够理解和执行的指令的集合。
它是一种用来控制计算机硬件操作的编程语言，可以看作是计算机硬件与软件之间的桥梁。
指令集的作用主要体现在以下几个方面：1.控制计算机硬件的操作：指令集可以控制计算机硬件完成各种操作，包括数据传输、运算、存储、跳转等。
2.提高编程效率：指令集为程序员提供了一组预定义的指令，可以简化编程过程，提高编程效率。
3.影响计算机性能：指令集的优劣直接影响计算机的性能。
高效的指令集可以提高计算机的运行速度，降低功耗。
二、计算机语言指令集的发展历程计算机语言指令集的发展经历了几个阶段：1.最初的计算机没有指令集，程序员需要直接操作硬件。
2.20 世纪 50 年代，出现了汇编语言，它是一种面向机器的语言，使用助记符代替二进制代码。
3.20 世纪 60 年代，高级编程语言的出现，如 C、C++等，使得程序员可以更加方便地编写程序。
4.近年来，随着计算机技术的发展，出现了许多新的指令集，如RISC-V、ARM 等。
三、计算机语言指令集的分类指令集可以按照不同的标准进行分类，常见的分类方法有以下几种：1.按照指令的格式分类：如单指令集、双指令集等。
2.按照指令的功能分类：如算术指令集、逻辑指令集、存储指令集等。
3.按照指令的处理方式分类：如 CISC 指令集、RISC 指令集等。
四、计算机语言指令集的应用指令集广泛应用于各种计算机系统中，包括个人计算机、服务器、嵌入式系统等。
不同的计算机系统使用的指令集可能不同，如 x86、ARM、MIPS 等。
五、计算机语言指令集的未来发展趋势随着计算机技术的发展，指令集也将迎来新的发展机遇和挑战。
未来的指令集可能会有以下几个发展趋势：1.多核心处理器的普及，需要更加高效的指令集。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（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
3／12
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
9／12
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
6／12
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
5／12
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
2／12
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
11／12
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）