指令集结构的功能设计

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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。

mips指令集(24条指令)的字段和功能描述

MIPS指令集(24条指令)的字段和功能描述指令集概述M I PS（M ic ro pr oc es s or wi th ou tI nt erl o ck ed Pi pe li ne dSt a ge s）指令集是一种精简指令集（R IS C）体系结构，广泛应用于计算机体系结构的教学和实践中。

本文将介绍M IP S指令集中的24条常用指令，并对它们的字段和功能进行详细描述。

加载和存储指令1.l w指令字段描述：-指令格式：lw$r t,o f fs et($rs)-r s（源寄存器）：指定存储单元的基址寄存器-r t（目标寄存器）：指定目标寄存器，用于存储从存储单元中加载的数据-o ff se t：用于指定存储单元的偏移量，计算出实际地址功能描述：l w指令用于从存储单元中加载数据到目标寄存器。

它通过基址寄存器和偏移量计算出实际地址，并将存储单元中的数据加载到目标寄存器中。

2.s w指令字段描述：-指令格式：sw$r t,o f fs et($rs)-r s（源寄存器）：指定存储单元的基址寄存器-r t（目标寄存器）：指定源寄存器，用于存储到存储单元中的数据-o ff se t：用于指定存储单元的偏移量，计算出实际地址功能描述：s w指令用于将源寄存器中的数据存储到指定的存储单元中。

它通过基址寄存器和偏移量计算出实际地址，并将源寄存器中的数据存储到该地址对应的存储单元中。

算术和逻辑指令3.a d d指令字段描述：-指令格式：ad d$rd,$rs,$rt-r s（源寄存器1）：参与运算的第一个源寄存器-r t（源寄存器2）：参与运算的第二个源寄存器-r d（目标寄存器）：用于存储运算结果功能描述：a d d指令用于将两个源寄存器中的数据相加，并将结果存储到目标寄存器中。

4.s u b指令字段描述：-指令格式：su b$rd,$rs,$rt-r s（源寄存器1）：参与运算的第一个源寄存器-r t（源寄存器2）：参与运算的第二个源寄存器-r d（目标寄存器）：用于存储运算结果功能描述：s u b指令用于将源寄存器2中的数据从源寄存器1中的数据减去，并将结果存储到目标寄存器中。

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、王志英》课后习题参考答案

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。

计算机语言指令集

计算机语言指令集计算机语言指令集是计算机体系结构中一个重要的概念。

它是指计算机所支持的机器码指令的集合，用于执行各种操作和计算任务。

计算机语言指令集的设计和实现对于计算机硬件和软件的性能和功能起着至关重要的作用。

计算机语言指令集可以分为不同的层次和类型。

最底层的是机器码指令集，它是二进制形式的指令，直接由计算机硬件执行。

机器码指令集通常由一系列固定长度的二进制数表示，每个数值都对应计算机中的一个特定操作或指令。

高级的计算机语言，如C、Java和Python，是为程序员设计的更易于使用和理解的抽象层级。

这些语言提供了更高级的语法和功能，允许程序员以更自然的方式编写代码，并由编译器或解释器将其转换为机器码指令集。

每种计算机体系结构都有自己的指令集架构（ISA）。

常见的指令集架构包括复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。

CISC是一种早期的指令集架构，它使用复杂的指令，其中包含多个操作，如加载、存储、运算和逻辑操作。

这些指令可以执行复杂的任务，但其设计和实现相对复杂，并且往往需要更多的硬件资源。

RISC是一种更现代化的指令集架构，它使用精简的指令，每个指令只执行一个最基本的操作。

RISC指令集架构通过精简指令和对硬件设计的优化，实现了更高的执行效率和更简单的设计。

此外，RISC还具有更好的编译器支持，可以更好地针对指令进行优化，提高程序的性能。

除了CISC和RISC之外，还有一些其他的指令集架构，如超大规模集成电路（VLIW）和可配置计算（CC）。

VLIW使用长期指令字的并行处理，将多个指令打包在一起，以提高处理器的并行度和性能。

CC 指令集架构可以根据应用程序的需求进行灵活的修改和定制。

计算机语言指令集的设计和实现需要考虑多个因素。

首先是指令的功能和操作的灵活性，以满足各种计算任务的需求。

其次是指令的简洁性和易于理解性，以便于程序员编写和调试代码。

此外，指令的执行效率和硬件资源的利用也是指令集设计的重要考虑因素。

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。

计算机系统结构第2章

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：A 1←(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←2000H1011000000000000 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：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。

c-sky指令集体系结构

c-sky指令集体系结构什么是csky指令集体系结构？C-SKY指令集体系结构（简称csky）是一种面向嵌入式系统设计的指令集体系结构框架。

它由中国科学院计算机技术研究所于2001年提出，以满足中国国内市场对高性价比、低功耗、可靠性强的嵌入式处理器的需求。

csky指令集体系结构兼容MIPS（微处理器无限公司，Microprocessor without Interlocked Piped Stages）指令集结构，并进行了一些优化和扩展。

1. csky指令集体系结构的设计理念：csky指令集体系结构的设计理念是在能够满足常见应用程序需求的基础上，尽可能简化指令集的结构，以提高处理器的执行效率和性能。

它追求高性价比和低功耗，适合用于大规模生产的嵌入式系统。

2. csky指令集体系结构的特点：- 中等长度的指令，32位的指令宽度，指令格式简单，指令集体积小。

这样能够减少实现复杂度和功耗。

- 16个通用寄存器，提供更高的寄存器容量，能够支持更大规模的程序。

- 支持单精度和双精度浮点运算，提高了计算能力。

- 适应不同层次的流水线设计，从单周期执行到多周期和超流水线执行，以满足不同应用场景的需求。

- 支持标准异常和跳转指令，提供了较好的异常处理能力。

3. csky指令集的分类和功能：csky指令集可以分为以下几类：- 数据传送类指令：包括load、store、move等指令，用于数据的读取和存储。

- 算术运算类指令：包括加减乘除、移位、逻辑运算等指令，用于完成常用算术和逻辑运算。

- 控制流类指令：包括无条件跳转、条件分支、函数调用等指令，用于控制程序的跳转和执行流程。

- 异常处理类指令：包括中断、异常、陷阱等指令，用于处理程序中的异常情况。

- 浮点运算类指令：包括浮点加减乘除、浮点比较等指令，用于高精度的浮点运算。

4. csky指令集的应用领域：csky指令集主要被应用在嵌入式系统领域，如工业控制、汽车电子、智能终端等。

计算机系统结构课后答案chap2-answer

第二章计算机指令集结构设计2.1 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？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。

(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。

(5)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。

2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。

从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。

从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。

(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。

(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。

(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。

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。

计算机体系结构各章简答题及答案

计算机体系结构各章简答题及答案第⼀章计算机体系结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的？3. 经典计算机系统结构的实质是什么？4. 语⾔实现的两种基本技术是什么？5. 对于通⽤寄存器型机器来说，机器语⾔程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？6. 什么是软件兼容软件兼容有⼏种其中哪⼀种是软件兼容的根本特征？7. 什么是系列机它的出现较好地解决了什么⽭盾？8. 对计算机发展⾮常关键的实现技术有哪些？9. 实现软件移植的主要途径有哪些？10. 试以系列机为例，说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。

11. 存储程序计算机在系统结构上的主要特点是什么？12. 从系统结构的发展情况看，新型系统结构的设计主要从哪两⽅⾯着⼿？13. 软件技术两个最重要的发展趋势是什么？14. 计算机系统设计⼈员的技术挑战主要来⾃哪⼏个⽅⾯？15. ⼀种计算机系统结构的⽣命周期是怎样的？16. 商品的标价（价格）由哪些因素构成？17. 对计算机系统成本产⽣影响的主要因素有哪些？18. ⽤户CPU时间由哪三个因素决定？19. ⽬前常⽤的测试程序分为哪五类？20. 什么叫测试程序组件在评价计算机系统设计时最常见的测试程序组件是哪个？21. SPEC2000测试程序组件中包括哪⼏个测试程序组件？22. 测试基于Microsoft公司的Windows系列操作系统平台的最常⽤测试组件有哪些？23. 常⽤的专门的性能指标测试程序有哪些？24. 计算机系统结构设计和分析中最经常使⽤的三条基本原则是什么25. 根据Amdahl定律，系统加速⽐由哪两个因素决定？26. 从执⾏程序的⾓度看，并⾏性等级从低到⾼可分为哪⼏级？27. 从处理数据的⾓度，并⾏性等级从低到⾼可以分为哪⼏级？28. 计算机系统中提⾼并⾏性的技术途径有哪三种？29. 多机系统的耦合度可以分为哪⼏类？30. 单机系统和多机系统中，都是按哪三种技术途径分别发展为哪三类多处理机？31. 三种类型的多处理机（同构型多处理机、异构型多处理机、分布处理系统）的主要区别是什么1. 什么是计算机系统的多级层次结构从计算机语⾔的⾓度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的在什么意义上是不等效的硬件和软件在功能实现上是等效的，即⼀种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

计算机系统结构第 2 章指令集结构

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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。
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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
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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。
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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
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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。

计算机体系结构试题库—填空题

计算机体系结构试题库—填空题计算机体系结构试题库填空题（100题）1．当代计算机体系结构的概念包括（指令集结构）、（计算机组成）和（计算机实现）三个方面的内容。

2．计算机部件的平均出售价是（部件开销）、（直接开销）和（毛利）三者之和。

3．在一个字中，两种表示字节顺序的习惯是（高端Big Endian）和（低端 LittleEndian）。

4．通常根据CPU内部状态，可以将指令集结构分为（堆栈型）、（累加器型）和（通用寄存器型）三种类型。

5．在指令流水线中，解决控制相关的方法主要有：（冻结或排空流水线）、（预测发生）、（预测不发生）和（调度分支延迟）。

6．在存储器层次结构中，提高主存性能的方法主要有：（加宽存储器）、（简单的交叉存储器）、（独立的存储块）、（避免存储器块冲突）和（DRAM特性交叉）。

7．I/O性能评价的指标主要包括：设备类型、设备数量、（响应时间）和（吞吐量）。

8．提高向量处理机性能的主要方法有：链接、（重叠执行）和（多个向量载入储存（L/S）部件）。

9．一般并行性包含（并行）和（并发）两个方面。

10．开发并行性的主要途径有：（时间重叠）、（资源重复）和（资源共享）。

11．指令内部的并行属于（细）粒度并行。

12．流水线的数据相关有（ RAW ）、（ WAW ）、（ WAR ）三种类型。

13．通用寄存器型指令集结构按其指令中的操作数个数和操作数的存储单元可以分为（ R-R ）、（ R-M ）、（ M-M ）三种类型。

14．根据CPU性能公式，程序的执行时间等于（ IC ）、（ CPI ）及（ T）三者的乘clk积。

15．对向量的处理有（水平处理）方式、（垂直处理）方式和（分组处理）方式。

16．D LX流水线可以分为（ IF ）、（ ID ）、（ EX ）、（ MEM ）、（ WB ）五个操作功能段。

17．在存储器层次结构中，Cache离CPU（最近），而外存离CPU最远。

18．一般来说，按照CPU内部操作数的存储方式，可以将机器（指令集结构）分为：（堆栈型）、（累加器型）和（通用寄存器型）三种类型。

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）。

计算机系统结构复习试题及答案(非计算)

一．名词解释计算机系统结构：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。

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。

同构型多处理机系统：由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。

堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。

累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。

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。

数据相关：考虑两条指令i 和j，i 在j 的前面，如果下述条件之一成立，则称指令j 与指令 i 数据相关：（1）指令j 使用指令i 产生的结果；（2）指令j 与指令k 数据相关，而指令k 又与指令i 数据相关。

定向：用来解决写后读冲突的。

在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。

如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。

向量处理机：指令级并行：简称ILP。

是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。

指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。

是由硬件在程序实际运行时实施的。

指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。

它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。

失效率：CPU 访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。

失效开销：CPU 向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。

强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在Cache 中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。

容量失效：如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入Cache 中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。

计算机体系结构复习,考点

1.计算机系统结构的定义：计算机系统结构概念的实质是确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。

2.计算机组成额计算机实现的二者关系：计算机组成指的是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。

它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的关系。

计算机实现指的是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。

它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。

3.系列机的软件兼容方式4种：向上兼容、向下兼容、向前兼容、向后兼容。

向上（下）兼容指的是按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比他高（低）档的计算机。

向后（前）兼容指的按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。

向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征。

兼容机：它是指由不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。

4.计算机系统设计的4个常用定量原理：①以经常性事件为重点：这是计算机设计中最重要、使用最广泛的设计原则。

②Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。

Amdahl定律可用来计算当对计算机系统中的某个部分进行改进后，系统总体性能可获得多大的提高。

这是通过加速比这个指标来衡量的。

= =，这个加速比依赖于两个因素：在改进前的系统中，可改进部分的执行时间在总执行时间中的比例：可改进部分改进以后性能提高的倍数。

③CPU性能公式：CPU 时间=执行程序所需的时钟周期数X时钟周期时间，引入新参数CPI（每条指令执行的平均时钟周期数）CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC IC：所执行的指令条数。

程序执行的CPU 时间可以写成CPU时间= IC ×CPI ×时钟周期时间。

简述risc指令集结构的设计原则

简述risc指令集结构的设计原则RISC指令集结构是微处理器设计中重要的一种指令集结构，它可以有效提高微处理器整体的处理速度。

它的设计原则概括为四个单词：精简，标准，异类和可编程性。

一、精简原则精简原则是衡量RISC指令集结构设计的基础原则。

传统的指令集大多由复杂的指令组成，要求微处理器完成复杂操作。

但RISC指令只设计一些最基本的操作，从而减轻处理器的处理压力，提高运算效率。

指令结构的精简使得RISC的运行速度要比现有的指令集快上许多，从而提高了微处理器的处理能力。

二、标准原则RISC指令集的标准原则，是指在设计过程中，每条指令的格式和长度相同，这样可以大大减少指令的处理时间，从而提高处理器的处理速度。

指令也是一致的，并且可以在不同的平台上执行，这样可以大大方便应用程序的开发。

三、异类原则异类原则是指RISC指令集中要求指令有一定的异类效应，即不同的指令在运行的过程中可以相互交换，使微处理器的运行更加高效。

RISC指令集中没有复杂的指令，但是它拥有与复杂指令组合相同功能的简单指令。

这样可以大大降低微处理器的复杂度，提高运算效率。

四、可编程性原则RISC指令集的可编程性原则是其中最重要的设计原则。

可编程性原则要求RISC指令集具有可编程性。

这意味着它可以用许多种语言来实现，如C语言、FORTRAN语言等。

这样可以有效提高程序的可读性和可维护性，让应用程序的开发成为可能。

综上所述，RISC指令集结构的设计原则有精简原则、标准原则、异类原则和可编程性原则。

RISC指令集的设计是实现高效运算的关键，它能够大大减少处理器的处理压力，提高处理器的处理速度，从而使微处理器能够在更多的应用中发挥作用。

指令编排架构 -回复

指令编排架构-回复什么是指令编排架构指令编排架构（Instruction Orchestration Architecture）是一种在计算机系统中用于管理和执行指令序列的架构。

它涉及到将指令集、指令序列、程序流程等元素进行组织和编排，从而实现高效和可靠的指令执行。

指令编排架构广泛应用于诸如微处理器、嵌入式系统、操作系统等领域，为计算机系统的运行提供了重要的支持。

指令编排架构的作用指令编排架构的主要作用是优化和控制指令的执行过程，以提高计算机系统的性能和可靠性。

它通常包括以下几个方面的功能：1. 指令解码和调度：指令编排架构负责将计算机系统中的指令流解码为对应的操作和数据，然后安排它们的执行顺序和时间，确保指令能够按照正确的顺序和时序进行执行。

2. 数据传输和处理：指令编排架构负责处理和传输指令中所涉及的数据。

它会将指令中的源操作数和目的操作数从存储器中读取或写入，同时进行必要的运算和处理，以完成指令的执行。

3. 状态管理和控制：指令编排架构负责管理和维护计算机系统的状态。

它会记录指令的执行情况和结果，并根据特定的条件和规则来控制程序的执行流程，以实现条件分支、循环等控制结构。

4. 中断处理和异常处理：指令编排架构能够处理中断和异常事件。

当发生中断或异常时，它会中断当前的指令执行，保存当前的状态，转而执行中断或异常处理程序，最后再返回到原来的指令执行状态。

指令编排架构的设计原则在设计指令编排架构时，需要遵循一些基本的原则，以实现高效和可靠的指令执行。

1. 简洁性：指令编排架构的设计要尽量简洁，即用最少的指令和操作来完成复杂的计算任务。

简洁的指令集可以减少指令解码和执行的复杂性，提高整体的执行效率。

2. 并行性：指令编排架构应该支持并行的指令执行。

它可以将多条指令进行并行处理，以提高计算机系统的吞吐量和计算能力。

例如，通过流水线和超标量技术，可以同时处理多条指令的不同阶段，并将它们交错执行，从而实现指令级并行。