计算机指令设计
计算机硬件系统设计--(5)Instruction System-指令系统
机型 EDSAC IBM 701 CDC 6600 IBM S/360 DEC PDP-8 DEC PDP-11 Intel 8008 Motorola 6800 DEC VAX Intel 8086 Motorola 68000 Intel 80386 MIPS HP PA-RISC SUN SPARC IBM PowerPC DEC Alpha
加快经常性事件
Make the common case fast
好的设计需要适度的折衷
Good design demands good compromises
MIPS指令概述
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)
编译后的变量映射:
g
h
i
j
A[0]
$s1
$s2
$s3
$s4
$s5
循环结构
最后编译的MIPS代码:
Loop: sll $t1,$s3,2 addu $t1,$t1,$s5 lw $t1,0($t1) addu $s1,$s1,$t1 addu $s3,$s3,$s4 bne $s3,$s2,Loop
释义 固定值为0 硬件置位 汇编器保留，临时变量 函数调用返回值 4个函数调用参数 暂存寄存器，调用者按需保存 save寄存器，被调用者按需保存 暂存寄存器，同上 操作系统保留，中断异常处理 全局指针 (Global Pointer) 堆栈指针 (Stack Pointer) 帧指针 (Frame Pointer) 函数返回地址 (Return Address)
(in C) (in MIPS)
(in MIPS)
加立即数
常数相加指令
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。
计算机程序设计
计算机程序设计计算机程序设计什么是计算机程序设计计算机程序设计是指编写计算机程序的过程。
计算机程序是一组指示计算机执行特定任务的指令集合。
计算机程序设计可以用不同的编程语言来实现，如C、C++、Java、Python等。
计算机程序设计不仅包括理解问题、设计算法的能力，还包括如何使用特定编程语言实现算法的技巧。
计算机程序设计的重要性计算机程序设计是现代计算机科学的核心领域之一，它在各个行业和领域都起着至关重要的作用。
一个好的计算机程序可以提高工作效率，实现自动化操作，提升数据处理能力，并且可以减少因人为因素引起的错误。
，计算机程序设计也是培养逻辑思维、解决问题的能力的重要途径。
计算机程序设计的基本原则模块化模块化是指将复杂的问题分解为多个相对独立的模块，每个模块实现一个特定的功能。
通过模块化设计，可以提高代码的可读性、可维护性和可重用性。
模块化设计的关键是要定义清晰的接口，使得不同模块之间可以互相协作。
抽象化抽象化是指忽略细节，只关注问题的核心概念和关键特性。
通过抽象化，可以将复杂的问题简化为易于理解和实现的抽象模型。
抽象化可以使得程序更加灵活和可扩展，并且可以提高代码的可读性和可维护性。
分治法分治法是一种将问题分解为更小的子问题，并分别解决这些子问题的方法。
分治法可以降低问题的复杂度，并提高算法的效率。
分治法的关键是要找到合适的的划分方式，使得子问题之间相互独立。
动态规划动态规划是一种通过将问题分解为多个重叠子问题，并将子问题的解保存起来以避免重复计算的方法。
动态规划可以大大提高算法的效率。
动态规划的关键是要确定好子问题的定义和递推关系。
计算机程序设计的步骤1. 理解问题：要对问题进行深入的理解，明确问题的输入、输出以及各个环节的处理过程。
2. 设计算法：根据问题的需求和约束条件，设计合适的算法来解决问题。
算法应该具有高效性、正确性和可读性。
3. 编写代码：使用所选编程语言将算法转化为具体的代码。
计算机设计与实践——MIPS基本指令
MIPS 基本指令和寻址方式：MIPS 是典型的RISC 处理器，采用32位定长指令字，操作码字段也是固定长度，没有专门的寻址方式字段，由指令格式确定各操作数的寻址方式。
MIPS 指令格式一般有三种格式： R-型指令格式 I-型指令格式 J-型指令格式R _Type 指指指指262116116316bit6bit5bit5bit5bit5bitOP ： 操作码rs ： 第一个源操作数寄存器rt ： 第二个源操作数寄存器（单目原数据） rd ： 结果寄存器 shamt ：移位指令的位移量 func ： 指令的具体操作类型特点：R-型指令是RR 型指令，其操作码OP 字段是特定的“000000”，具体操作类型由func字段给定。
例如：func=“100000”时，表示“加法”运算。
R[rd] ← R[rs] + R[rt]I _Type 指指指指2621163115特点：I-型指令是立即数型指令双目运算： R[rt] R[rs]（OP ）SignExt(imm16) Load 指令：Addr ← R[rs] + SignExt(imm16) 计算数据地址 (立即数要进行符号扩展) R[rt] ← M[Addr] 从存储器中取出数据，装入到寄存器中Store 指令：Addr ← R[rs] + SignExt(imm16) M[Addr] ← R[rt]J _Type 指令格式26316bit26bit25特点：J-型指令主要是无条件跳转指令，将当前PC 的高4位拼上26位立即数，后补两个“0”，作为跳转目标地址。
j L //goto L 指指指指指指指指指jal L //$ra 指PC+4;goto L 指指指指指指指指指R 型指令：定点运算： add / addu ， sub / subu ， sra ， mult/multu ， div/divu 逻辑运算： and / or / nor ， sll / srl 比较分支： beq / bne / slt / sltu 跳转指令： jrI 型指令：定点运算： addi / addiu 逻辑运算： andi / ori 比较分支： slti / sltiu数据传送： lw / sw / lhu / sh / lbu / sb / luiJ 型指令： j / jal设计模块划分，教学安排1、MIPS格式指令系统设计2、指令存储器设计3、寄存器堆设计4、ALU设计——基本算术、逻辑单元的设计32位超前进位加法器的设计32位桶式移位寄存器的设计5、取指令部件的设计6、立即数处理单元设计7、单周期处理器设计——R型指令的数据通路设计I型指令的数据通路设计Load/Store指令的数据通路设计分支指令/转移指令的数据通路设计综合12条指令的完整数据通路设计8、ALU控制单元设计9、主控制单元的设计10、单周期处理器总体验证11、异常和中断处理及其电路实现12、带有异常和中断处理功能的处理器的设计设计示例1：指令存储器设计1、 指令存储器模块定义：指令存储器用于存放CPU 运算的程序指令和数据等，采用单端口存储器设计，设计最大为64个存储单元，每个存储单元数据宽度为32bit 。
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。
汇编语言设计算术运算指令
汇编语言设计算术运算指令汇编语言是一种低级语言，它与计算机硬件直接相关，用于编写底层程序。
在汇编语言中，设计算术运算指令是非常重要的，因为这些指令能够执行基本的数学运算，并且是编写其他复杂指令的基础。
本文将介绍汇编语言中的算术运算指令的设计方法和实现原理。
一、加法指令加法是最基本的数学运算之一，也是计算机中最常用的运算之一。
在汇编语言中，加法指令用于将两个操作数相加，并将结果存储到指定的目的地。
下面是一个示例程序，演示了如何使用加法指令：```MOV AX, 5 ; 将操作数5移动到寄存器AXADD AX, 3 ; 将寄存器AX中的值与操作数3相加```在这个示例中，我们首先将操作数5移动到寄存器AX中，然后使用ADD指令将寄存器AX中的值与操作数3相加。
最后的结果将存储在寄存器AX中。
二、减法指令减法是另一种常见的数学运算，它用于计算两个数之间的差值。
在汇编语言中，减法指令类似于加法指令，可以通过指定操作数和目的地来实现减法运算。
下面是一个示例程序，演示了如何使用减法指令：```MOV AX, 7 ; 将操作数7移动到寄存器AXSUB AX, 2 ; 将寄存器AX中的值减去操作数2```在这个示例中，我们首先将操作数7移动到寄存器AX中，然后使用SUB指令将寄存器AX中的值减去操作数2。
最后的结果将存储在寄存器AX中。
三、乘法指令乘法是将两个数相乘得到积的运算。
在汇编语言中，乘法指令用于实现乘法运算，并将结果存储到指定的目的地。
下面是一个示例程序，演示了如何使用乘法指令：```MOV AX, 4 ; 将操作数4移动到寄存器AXMOV BX, 2 ; 将操作数2移动到寄存器BXMUL BX ; 将寄存器AX中的值与寄存器BX中的值相乘```在这个示例中，我们首先将操作数4移动到寄存器AX中，然后将操作数2移动到寄存器BX中。
接着使用MUL指令将寄存器AX中的值与寄存器BX中的值相乘。
最后的结果将存储在寄存器AX中。
5_6_指令系统设计
34
0 e t u
2、零地址空间个数
需要编址的设备主要有通用寄存器、主存储器和输 入输出设备。 三个零地址空间：通用寄存器、主存储器和输入 输出设备均独立编址 两个零地址空间：主存储器与输入输出设备统一 编址 一个零地址空间：所有存储设备统一编址 最低端是通用寄存器，最高端是输入输出设备， 中间为主存储器 隐含编址方式：实际上没有零地址空间 堆栈、Cache等
地址数 目 三地址 二地址 指令长度 短 一般 程序存储 量 最大 很大 程序执行 速度 一般 很低 适用场合 向量，矩阵运算为主 一般不宜采用
一地址 零地址
二地址R 型
较长 最长
一般
较大 最小
最小
较快 最低
最快
连续运算，硬件结构简 单 嵌套，递归，变量较多
多累加器，数据传送较 多
15
地址码个数结论：
8
通过一个典型例子来分析： 例如：计算算术表达式: 用三地址指令编写的程序如下： MUL ADD X, A, B X, X, C ；X单元暂时用来存放中间运算结果
abc d x e f
SUB
ADD
X, X, D
Y, E, F
；X单元中存放的是分子运算的结果
；计算分母
DIV
X, X, Y
8位、16位、32位整数以及
32位和64位IEEE 754 浮点数
20
操作类型及地址码个数 数据类型和大小 指令格式及编码 寻址技术 指令格式的优化设计 RISC指令系统
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指令格式
累加器型
Load Add Store A B C
[例] C=A+B
堆栈型
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。
指令系统及程序设计
指令系统及程序设计指令系统是计算机体系结构的一个重要组成部分，它规定了计算机如何执行指令，并提供给程序员一套可用的指令集。
指令集是一组计算机指令的汇总，包括控制指令、数据传输指令、运算指令等。
指令集可以通过汇编语言或高级语言来编写，然后通过编译或汇编器将其转化为机器码，供计算机硬件执行。
指令系统的设计需要考虑多个因素，如指令的种类和功能、操作数的个数和格式、指令的寻址方式、指令的执行时间和周期等。
不同体系结构的计算机可能具有不同的指令集架构，如精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)等。
RISC指令集通常具有固定长度的指令，执行速度较快，而CISC指令集允许一条指令执行多个操作，具有更丰富的功能。
在指令系统的设计中，程序设计也起到了至关重要的作用。
程序设计是指开发和编写执行特定任务的一系列计算机程序的过程。
程序设计包括算法设计、数据结构设计和程序语言选择等。
算法设计是解决问题的方法和步骤的描述，它可以通过伪代码、流程图或实际的编程语言来表达。
数据结构设计是选择合适的数据结构来组织和存储数据，以便于程序的执行和效率的提高。
程序语言选择是根据问题的需求和程序员的经验选择合适的编程语言来编写程序，如C、C++、Java、Python等。
程序设计需要考虑到程序的正确性、可读性、可维护性和性能等方面。
正确性是指程序能够按照预期的方式执行，并得出正确的结果。
可读性是指程序的代码结构清晰、命名规范、注释适当，便于其他人理解和修改。
可维护性是指程序易于修改和维护，具有良好的模块化和重用性。
性能是指程序的执行效率和资源利用率，可以通过算法优化和数据结构优化来提高。
在指令系统和程序设计中，还涉及到编译器、汇编器和解释器等工具。
编译器是将高级语言程序转化为机器码的工具，它包括词法分析、语法分析、语义分析、优化和代码生成等阶段。
汇编器是将汇编语言程序转化为机器码的工具，它将汇编语言中的指令与符号对应起来，并生成机器码。
教学计算机指令设计方案
一、教学目标1. 理解计算机指令的概念、作用和分类。
2. 掌握计算机指令的格式和编码方式。
3. 熟悉计算机指令的执行过程和程序设计方法。
4. 培养学生的逻辑思维能力和编程能力。
二、教学内容1. 计算机指令概述1.1 计算机指令的定义1.2 计算机指令的作用1.3 计算机指令的分类2. 计算机指令格式与编码2.1 指令格式2.2 编码方式3. 计算机指令执行过程3.1 指令的读取3.2 指令的译码3.3 指令的执行4. 程序设计方法4.1 算法设计4.2 程序结构4.3 程序调试三、教学方案1. 教学方法1.1 讲授法：讲解计算机指令的基本概念、作用、分类、格式和编码方式等。
2. 案例分析法：通过具体案例，让学生了解计算机指令的执行过程和程序设计方法。
3. 实验法：让学生通过实验，亲自动手操作计算机指令，加深理解。
4. 讨论法：组织学生讨论计算机指令在实际应用中的问题，提高学生的实践能力。
2. 教学步骤2.1 引入：通过生活中的实例，引入计算机指令的概念，激发学生的学习兴趣。
2.2 讲解：讲解计算机指令的基本概念、作用、分类、格式和编码方式等。
2.3 案例分析：选取具有代表性的计算机指令案例，分析其执行过程和程序设计方法。
2.4 实验操作：指导学生进行计算机指令实验，让学生亲自动手操作，加深理解。
2.5 讨论与总结：组织学生讨论计算机指令在实际应用中的问题，总结教学重点。
3. 教学资源1. 教材：选用合适的计算机指令教材，如《计算机组成原理》、《计算机操作系统》等。
2. 课件：制作与教学内容相关的课件，如PPT、PDF等。
3. 实验设备：提供计算机实验设备，如计算机、编译器等。
4. 网络资源：利用网络资源，如在线课程、论坛等，为学生提供更多的学习资料。
四、教学评价1. 课堂表现：观察学生在课堂上的学习态度、参与程度和问题回答情况。
2. 实验报告：评估学生在实验中的操作能力、问题解决能力和创新意识。
计算机组成原理课程设计 微指令
计算机组成原理课程设计微指令一、课程设计题目微指令设计与实现二、设计目的通过本次课程设计，学生将深入了解微指令的概念、设计方法和实现过程，掌握微指令的编写技巧和调试方法，提高学生的计算机组成原理理论水平和实践能力。
三、设计内容1. 微指令的概念和作用2. 微指令的设计方法和流程3. 微指令的编写技巧和调试方法4. 微指令的实现过程和实验操作四、设计步骤1. 学生自行学习微指令的概念和作用，了解微指令的设计方法和流程。
2. 学生根据所学知识，编写一个简单的微指令程序，包括指令的操作码、操作数、寻址方式等。
3. 学生使用微指令编译器，将编写好的微指令程序转换成微指令码。
4. 学生使用微指令模拟器，将微指令码加载到模拟器中，进行调试和测试。
5. 学生根据实验结果，对微指令程序进行优化和改进，提高程序的执行效率和稳定性。
6. 学生撰写实验报告，总结微指令的设计方法和实现过程，分析实验结果和问题，并提出改进方案和建议。
五、设计要求1. 学生需要独立完成本次课程设计，不得抄袭他人作品。
2. 学生需要按照设计步骤，认真完成实验操作和调试工作。
3. 学生需要撰写规范的实验报告，包括实验目的、原理、方法、结果和结论等内容。
4. 学生需要在规定时间内完成课程设计，并按时提交实验报告。
六、设计评价1. 学生的实验报告质量和内容是否符合要求。
2. 学生的实验操作和调试能力是否达到要求。
3. 学生的微指令程序设计和实现是否合理和有效。
4. 学生的课程表现和参与度是否积极和认真。
七、设计参考资料1. 《计算机组成原理》（第2版），唐朔飞，高等教育出版社，2015年。
2. 《计算机组成原理实验指导书》（第2版），唐朔飞，高等教育出版社，2016年。
3. 《微指令设计与实现》课程教材，作者待定。
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）。
微指令的设计格式
微指令的设计格式
微指令是计算机中一种重要的指令系统，也是计算机硬件设计中相当复杂的一个部分。
微指令的设计格式包括微指令的编写、微指令的存储、微指令的执行与微指令的测试等几个方面。
首先，微指令的编写是微指令设计格式的首要任务。
编写微指令时，需要根据计算机的指令系统设计，将操作码、地址码等信息转化为对应的微操作，再将这些微操作组合成一个完整的微指令。
编写微指令时还需要考虑指令的优化以及指令的执行时间等问题，保证微指令的高效率和准确性。
其次，微指令的存储是微指令设计格式的重要环节。
微指令存储方式有ROM硬连线存储、EPROM可擦写存储、RAM随机存储和CAM内容寻址存储等多种方式。
在选择微指令存储方式时，需要根据计算机的实际使用环境和设计需求来进行选择，以保证微指令的正确性和可靠性。
微指令的执行是微指令设计格式的核心部分。
微指令的执行过程需要根据微指令编写的具体功能实现，通过微指令存储器中的地址信息找到对应的微指令，并按照微指令中的微操作依次执行，完成指令的功能。
在执行微指令时，需要考虑微指令间的依赖关系，以及微指令的时序要求等问题，保证指令的正确执行。
最后，微指令的测试是微指令设计格式中一个关键的环节。
在微指令的设计过程中，需要进行各种测试，检验微指令的正确性、有效
性以及稳定性等方面的问题，并进行微指令的修正和完善，以保证微指令的质量和可靠性，是微指令设计过程中不可忽略的一个环节。
总之，微指令设计格式是计算机硬件设计中必不可少的一个环节。
编写、存储、执行和测试是微指令设计过程中的四个重要方面，需要根据计算机的设计需求进行综合考虑，以确保微指令的高效、准确和可靠。
计算机组成原理微程序设计乘法指令
郑州轻工业学院本科计算机组成原理课程设计总结报告设计题目：基本模型机的设计与实现学生姓名：系别：专业：班级：学号：指导教师：2011 年1月7 日郑州轻工业学院课程设计任务书题目基本模型机的设计与实现专业、班级学号姓名主要内容：乘法指令、停机指令的设计与实现。
基本说明：由于乘法指令较为复杂，本次模型机设计只完成乘法机器指令和停机指令的设计与实现。
主要参考资料等：《计算机组成原理》白中英主编科学出版社。
完成期限：一周指导教师签名：课程负责人签名：2011年 1月 7 日目录课程设计任务书 (2)一、微程序控制器的基本原理 (4)二、模型机结构 (5)三、微指令格式 (6)四、指令系统 (7)五、指令流程图 (8)六、程序清单 (9)七、微程序清单 (10)八、心得与体会 (11)附录：微程序详解 (11)1. 总述 (11)2. 乘法算法 (11)3. 实现难点 (12)一、微程序控制器的基本原理微程序控制器原理框图如图所示。
它主要有控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。
其中微指令寄存器分为微地址寄存器和微命令寄存器两部分。
（1）控制存储器控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，机器运行时只读不写。
其工作过程是：每读出一条微指令，则执行这条微指令接着以读出下一条微指令，又执行这条微指令……。
（2）微指令寄存器微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。
其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。
（3）地址转移逻辑在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。
如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。
当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。
在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器人内容，并按改好人内容去读下一条微指令。
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计算机指令设计
摘要
计算机已经成为现代社会发展不可取代的有利助手，而计算机控制更是遍及各领域。
因而对计算机指令控制部件并达到最优的研究具有深远的意义。
本文主要关于在计算机控制方面，对计算机指令控制计算机部件的问题作了具体的分析，对于使得所有部件得到控制的最少指令集合和所有部件得到控制的总长度最小的指令集合，分别建立了相应的整数线性规划模型。
对于模型的求解,我们用lingo软件同时计算出结果。
对所设计算法的复杂性，主要是从算法的时间复杂性和空间复杂性两方面进行分析。
关键字：计算机指令最优控制线性规划时间复杂性 lingo
一、问题重述
在计算机控制过程中，一条计算机指令往往可以控制几个计算机部件，反过来，一个部件一般由几条指令控制。
一个基本问题是，在指令集合里寻找最少的指令，使得所有的部件得到控制；另一个问题是，当给定每条指令的长度时,在指令集合里，寻找最长度最少的若干指令，使得他们可以控制全部部件。
对于上面的两个问题，建立如下两个数学模型：
1. 建立使得所有部件得到控制的最少指令集合；
2. 建立使得所有部件得到控制的总长度最小的指令集合。
再给出指令控制的部件和指令的长度后如附表-1所示，用所建立的数学模型对附表-1所列的数据求出结果。
3．设计模型的求解算法，用附表-1中所列的数据给出求解结果；
4. 分析所设计的算法的复杂性和计算得到的结果。
二、问题分析
由于一条计算机指令往往可以控制几个计算机部件，反过来，一个部件一般有几条指令控制，这两个都是线性规划问题且约束条件相同，只是目标函数不同。
对于问题一：建立使得所有的部件得到控制的指令集合里的最少的指令模型。
我们利用整数线性规划模型，找出所求优化问题的目标函数和约束条件，并确保一个部件至少有1条指令控制，同时利用软件计算得出所有部件得到控制的最少指令的集合。
为使所有部件得到控制的指令的总长度的最小长度，仍然建立整数线性规划模型，依然要保证一个部件至少有1条指令控制，再用软件计算得出所有部件得到控制的指令的总长度的最小长度。
对于问题二：对于模型1和模型2求解，我们用的是Lingo软件同时进行求解。
对于问题三：主要是从时间复杂度和空间复杂度两方面对算法的复杂度进行分析。
三、模型假设
1) 假设每个指令都正常控制相应的部件。
2) 假设每个部件都能被指令集合中一条或多条指令控制。
3) 假设每条指令在运行过程中不发生逻辑错误, 且每个部件均工作正常。
4)在指令控制部件的过程中只考虑指令和部件的对应性, 而不考虑计算机指令
控制过程中其他的关系和问题。
四、符号的定义及说明
符号定义及说明
x第i条指令是否被使用
i
a第i个部件是否被第j条指令控制
ij
l第j条指令的长度
i
m部件的总个数
n指令的总条数
F所用指令的总条数
1
F所用部件的总个数
2
这里只给出主要符号的意义，其他符号将在文中给出，在此不再一一赘述。
五、模型的建立及求解
5.1 建立使得所有的部件得到控制的最少指令集合
此问的目的是为了在指令集合中寻找条数最少的指令, 使所有的计算机部件得到控制。
变量i x 为0- 1 变量, i x 表示是否使用第i 条指令, 如果使用第i 条指令, 则其对应的i x = 1, 否则i x = 0 。
所使用指令的总条数可表示为1F , 因此目标函数为:
Min: ∑==
n
i i
x
F 1
1（1）
约束条件：
1）ij a 表示第j 个部件和第i 条指令的关系, 如果第j 个部件能被第i 条指令控制
ij
a = 1, 否则ij a = 0 .
2）用i n
i ij x a ∑=1
表示第j 个部件是否得到指令集合中一条或多条指令控制，则
11
≥∑=i n
i ij
x a
表示第j 个部件得到指令集合中至少一条指令的控制.即：
11
≥∑=i n
i ij
x a
，j =1，2，3... m
（2）
由此，建立了如下的数学模型：
Min: ∑==
n
i i
x
F 1
1⎪⎪
⎪⎩⎪
⎪⎪
⎨⎧
=≥====∑=n i i ij ij ij i i m j x a a or a x or x t s 1
,...2,1(,11010..）（3）
5.2 建立使得所有部件得到控制的总长度最小的指令集合
首先我们引入一组变量,,...,21m l l l 其中i l 表示第i 条指令的长度. 问题二的目的是为了在指令集合中寻求总长度最小的若干指令, 使所有的计算机部件得到控制. 根据对问题一的分析可知, 问题二同属整数线性规划问题, 并得相似模型为:
Min: i
n
i i
x l F ∑==
1
2
⎪⎪
⎪⎩⎪
⎪⎪
⎨⎧=≥====∑=n i i ij ij ij i i m j x a a or a x or x t s 1
),...2,1(,11010.. （4）
5.3 建立求解算法的模型 用lingo 软件实现：
根据附表一所列数据利用lingo 软件求得一组最优解为x1=1,x2=1,x3=1,x4=1,x5=1,x6=1,x7=1,x8=1,x9=1,x10=1,x12=1,x13=1:, 目标
函数min:∑==
n
i i
x F 1
1=12。
即能控制所有部件, 且所用指令条数最少的一组指令为: 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,共12 条指令。
根据附表一所列数据利用lingo 软件求得一组最优解为:x1=1,x2=1,x3=1,x4=1,x5=1,x6=1,x7=1,x8=1,x9=1,x10=1,x13=1,x14=1;
目标函数min: j n
j j
x l
F ∑==
1
2=406。
即能控制所有部件, 且所用指令长度总和最小的一组指令为 1，2,3 ，4, 5 ，6, 7，8,9,10 ，13,14. 共12 条指令, 总长406。
5.4 算法的复杂度分析
Lingo 求解本题的复杂性分析如下：
虽然模型的约束及变量个数影响其计算速度，但此模型用Lingo 编程，在优化编程方面，Lingo 的计算机的运行时间短，所以效率最高。
六、 结果分析
七、模型的评价和与推广
我们建立的模型对计算机指令优化控制问题作了细致的分析，并且提出了模型的几种算法，而且还进行实例的计算求解，最后还用了lingo 数学软件检验了
结果的正确性．总的来讲本模型可以适用于其他的相似问题，而且单纯形法的算法快捷，整数规划明确简单。
但是由于我们采用的算法有局限性，所以在问题有多组最优解的时候，我们只能求到一组，不过经过检验，所得的结果还是令人满意的。
八、参考文献
[1]钱颂迪，运筹学[M]，北京: 清华大学出版社，1990。
[2]西北工业应用数学系，线性代数[M],西安：西北工业出版社，1998。
[3]何建坤,实用线性规划及计算机程序[M]，北京: 清华大学出版社，1985。
[4]刘卫国， Matlab程序设计和应用[M]，北京：高等教育出版社，2002。