第二章計算機指令集結構

完整性是指在乙個有限可用的儲存空間內，對於任何可解的問題，編制計算程式時，指令集所提供的指令足夠使用。

規整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關的儲存單元的使用、操作碼的設定等都是對稱的。均勻性是指對於各種不同的運算元型別、字長、操作種類和資料儲存單元，指令的設定都要同等對待。

高效率是指指令的執行速度快、使用頻度高。

2.5 指令集結構設計所涉及的內容有哪些？

答： (1) 指令集功能設計：主要有risc和cisc兩種技術發展方向； (2) 定址方式的設計：

設定定址方式可以通過對基準程式進行測試統計，察看各種定址方式的使用頻率，根據適用頻率設定必要的定址方式。 (3) 運算元表示和運算元型別：主要的運算元型別和運算元表示的選擇有：

浮點資料型別、整型資料型別、字元型、十進位制資料型別等等。 (4) 定址方式的表示：可以將定址方式編碼於操作碼中，也可以將定址方式作為乙個單獨的域來表示。

(5) 指令集格式的設計：有變長編碼格式、固定長度編碼格式和混合型編碼格式3種。

2.6 簡述cisc指令集結構功能設計的主要目標。從當前的計算機技術觀點來看，cisc指令集結構的計算機有什麼缺點？

答：主要目標是增強指令功能，把越來越多的功能交由硬體來實現，並且指令的數量也是越來越多。

缺點： (1) cisc結構的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）cisc結構指令的複雜性帶來了計算機體系結構的複雜性，這不僅增加了研製時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。

（3）cisc結構指令集的複雜性給vlsi設計增加了很大負擔，不利於單片整合。（4）cisc結構的指令集中，許多複雜指令需要很複雜的操作，因而執行速度慢。 (5) 在cisc結構的指令集中，由於各條指令的功能不均衡性，不利於採用先進的計算機體系結構技術（如流水技術）來提高系統的效能。

2.7 簡述risc指令集結構的設計原則。

答（1）選取使用頻率最高的指令，並補充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應盡可能簡單，並在乙個機器週期內完成；（3）所有指令長度均相同；（4）只有load和store操作指令才訪問儲存器，其它指令操作均在暫存器之間進行； (5) 以簡單有效的方式支援高階語言。

2.8 指令中表示運算元型別的方法有哪幾種？

答：運算元型別有兩種表示方法：（1）運算元的型別由操作碼的編碼指定，這是最常見的一種方法；（2）資料可以附上由硬體解釋的標記，由這些標記指定運算元的型別，從而選擇適當的運算。

2.9 表示定址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優缺點。

答：表示定址方式有兩種常用的方法：（1）將定址方式編於操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應的定址方式。

這種方式解碼快，但操作碼和定址方式的結合不僅增加了指令的條數，導致了指令的多樣性，而且增加了cpu對指令解碼的難度。（2）為每個運算元設定乙個位址描述符，由該位址描述符表示相應運算元的定址方式。這種方式解碼較慢，但操作碼和定址獨立，易於指令擴充套件。

2.10 通常有哪幾種指令格式，請簡述其適用範圍。

答： (1) 變長編碼格式。如果系統結構設計者感興趣的是程式的目標**大小，而不是效能，就可以採用變長編碼格式。

（2）固定長度編碼格式。如果感興趣的是效能，而不是程式的目標**大小，則可以選擇固定長度編碼格式。 (3) 混合型編碼格式。

需要兼顧降低目標**長度和降低解碼複雜度時，可以採用混合型編碼格式。

2.11 根據cpu效能公式簡述risc指令集結構計算機和cisc指令集結構計算機的效能特點。

答：cpu效能公式：cpu時間＝ic×cpi×t

其中，ic為目標程式被執行的指令條數，cpi為指令平均執行週期數，t是時鐘週期的時間。

相同功能的cisc目標程式的指令條數iccisc 少於risc的icrisc，但是cisc的cpicisc和tcisc都大於risc的cpirisc和trisc，因此，cisc目標程式的執行時間比risc的更長。