第2章 计算机指令集结构 课后习题

2.1

堆栈型计算机：CPU中用来存储操作数的存储单元是堆栈的计算机
累加器型计算机：CPU中用来存储操作数的存储单元是累加器的计算机
通用寄存器型计算机：CPU中用来存储操作数的存储单元是通用寄存器的计算机
CISC：复杂指令集计算机
RISC：精简指令集计算机
寻址方式：一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个寄存器操作数或者是一个存储器操作数。
数据表示：计算机硬件能够识别、指令集可以直接调用的数据类型

2.2

CPU中用来存储操作数的存储单元类型；堆栈结构、累加器结构、通用寄存器结构

2.3

指令集结构类型	优点	缺点
寄存器-寄存器型	:指令字长固定，指令结构简洁,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	与指令中含有存储器操作数的指令集结构相比，指令条数多，目标代码不够紧凑，因而程序占用的空间比较大
寄存器-存储器型	可以在ALU指令中直接对存储器操作数进行引用，而不必先用LOAD指令进行加载。容易对指令进行编码，目标代码比较紧凑	由于有一个操作数的内容将被破坏，所以指令中的两个操作数不对称。在一条指令中同时对寄存器操作数和存储器操作数进行编码，有可能限制指令所能够表示的寄存器个数。指令的执行时钟周期数因操作数的来源（寄存器或存储器）不同而差别比较大
存储器-存储器型	目标代码最紧凑，不需要设置寄存器来保存变量	指令字长变化很大，特别是3操作数指令。而且每条指令完成的工作也差别很大。对存储器的频繁访问会使存储器成为瓶颈。这种类型的指令集结构现在已不用了

2.4

完整性、规整性、高效率和兼容性
完整性：在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题编制计算程序时，指令集所提供的指令足够使用
规整性：包括对称性和均匀性。对称性指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的；均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待
高效率：指令的执行速度快、使用频率高

2.5

指令集结构的功能设计：主要有RISC和CISC两种方向
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，查看各种寻址方式的使用频率，根据使用频率设置必要的寻址方式
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、整型数据类型、字符型、十进制数据类型等
寻址方式的表示：可以将寻址方式编码于操作码中，也可以将寻址方式作为一个单独的域来表示
指令集格式的设计:变长编码格式固定长度编码格式、混合型编码格式

2.6

主要目标是增强指令，把越来越多的功能交由硬件实现；缺点：各种指令的使用频率悬殊，许多指令很少用得到；指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂；许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢；由于指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水技术来提高性能

2.7

指令少而简单
采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式
指令的执行在单个机器周期内完成（采用流水线机制后）
只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行，即采用load-store结构
大多数指令都采用硬连逻辑来实现
强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码
充分利用流水技术来提高性能

2.8

由指令中的操作码指定操作数的类型
给数据加上标识，由数据本身给出操作数类型

2.9

把它与操作码一起编码；译码快，但操作码和寻址方式的结合不仅增加了指令的条数，导致了指令的多样性，增加了CPU对指令译码的难度
设置专门的地址描述符；译码慢，但操作码和寻址独立，易于指令拓展

2.10

变长编码格式：重代码大小
固定长度编码格式：重性能
混合型编码格式：平均

2.11

CPU性能公式：CPU时间=ICCPIT
IC：目标程序被执行的指令条数，CPI为指令平均执行周期数，T是时钟周期的时间
CISC的目标程序的执行时间比RISC的更长