第四章 指令系统
1.什么叫指令?什么叫指令系统?
指令是计算机为完成某种操作而发出的命令，一条指令通常由操作码和地址码组成。
指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合。
2.指令的数据寻址方式有哪些?
隐含寻址：累加寄存器AC作为第二操作数地址；
立即寻址：操作数直接包含在指令中；操作数 = A
直接寻址：指令中的地址就是操作数地址；EA = A
间接寻址：指令中的地址存放的是操作数地址；EA = (A)
寄存器寻址：操作数存放在寄存器中；EA = R
寄存器间接寻址：寄存器中存放操作数地址；EA = ®
基址寻址：有效地址由地址码和基址寄存器内容相加得到；EA = (BR) + A
变址寻址：有效地址由地址码和变址寄存器内容相加得到；EA = (IX) + A
相对寻址：有效地址由程序计数器和地址码相加得到。EA = (PC) + A
堆栈寻址 EA = 栈顶
第五章 中央处理器
1.简述机器指令和微指令的关系
机器指令是计算机能够直接执行的基本指令，存放在主存中，由操作码和地址码组成。
微指令是微程序控制器中的控制指令，用于产生控制信号，控制计算机各部件完成微操作。
二者关系是：一条机器指令的执行通常需要若干条微指令来完成，这些微指令按顺序组成微程序，从而实现机器指令的功能。
2.说明CPU中有哪些寄存器?它们的功能是什么?
程序计数器PC：存放下一条将要执行的指令地址。
指令寄存器IR：存放当前正在执行的指令。
存储器地址寄存器MAR：存放要访问的存储单元地址。
存储器数据寄存器MDR：存放从主存读出或写入主存的数据。
通用寄存器：暂存操作数和运算结果。
程序状态字寄存器PSW：保存程序运行状态信息。
3.RISC机器具有什么优点，试简单论述
| 对比项目/类别 | CISC | RISC |
|---|---|---|
| 指令系统 | 复杂、庞大 | 简单、精简 |
| 指令数目 | 一般大于200条 | 一般小于100条 |
| 指令字长 | 不固定 | 定长 |
| 可访存指令 | 不加限制 | 只有LOAD/STORE指令 |
| 各种指令执行时间 | 相差较大 | 绝大多数在一个周期内完成 |
| 各种指令使用频度 | 相差很大 | 都比较常用 |
| 通用寄存器数量 | 较少 | 多 |
| 目标代码 | 难以用优化编译程序生成高效的目标代码程序 | 采用优化的编译程序，生成代码较为高效 |
| 控制方式 | 绝大多数为微程序控制 | 绝大多数为组合逻辑控制 |
| 指令流水线 | 可以通过一定方式实现 | 必须实现 |
4.CPU的功能是什么?由什么组成?
CPU（中央处理器）的主要功能是 执行程序和控制计算机各部件协调工作。具体包括：
-
指令控制
从存储器取出指令，并进行译码和执行。
-
操作控制
产生各种控制信号，控制计算机各部件按指令要求工作。
-
时间控制
按时钟节拍协调各部件操作顺序。
-
数据加工
对数据进行算术运算和逻辑运算。
-
中断处理
对计算机运行过程出现的异常情况进行处理。
CPU主要由 运算器和控制器 两部分组成
运算器
- 算术逻辑单元ALU、通用寄存器、暂存寄存器、累加寄存器、程序状态字寄存器、移位器、计数器
控制器
- 程序计数器、指令寄存器、指令译码器、微操作信号发生器、时序系统、地址寄存器、数据寄存器
5.什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系?
- 时钟周期：时钟信号的一个周期，是计算机中最基本的时间单位。
- 机器周期：又称CPU周期，完成一个基本操作（如取指、访存）所需的时间，一般由若干个时钟周期组成。
- 指令周期：CPU取出并执行一条指令所需要的全部时间。
三者关系：
一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期。
7.区分微命令、微操作、微指令和微程序
微程序：实现一条机器指令功能的一组微指令的集合。
微指令：若干微命令的组合，是微程序控制器中的控制指令，用于产生控制信号，控制计算机各部件完成微操作。
微操作：在一个时钟周期内完成的最基本操作，如寄存器之间的数据传送或简单运算。
微命令：控制某个微操作执行的控制信号。
8.简述硬布线控制器和微程序控制器的比较
硬布线控制器利用组合逻辑电路 直接产生控制信号，速度快，但结构固定、设计复杂，不易修改 。
微程序控制器通过执行存放在控制存储器中的微程序 产生控制信号，设计灵活、易于修改和扩展，但执行速度较慢。
| 比较方面 | 硬布线控制器 | 微程序控制器 |
|---|---|---|
| 实现方式 | 由逻辑电路直接产生控制信号 | 由微程序产生控制信号 |
| 执行速度 | 快 | 较慢 |
| 设计难度 | 设计复杂 | 设计较简单 |
| 修改与扩展 | 不易修改 | 易修改、扩展方便 |
| 适用场景 | 指令系统简单、速度要求高 | 指令系统复杂 |
9.说明并比较微指令格式的种类
水平型微指令：各控制位直接对应控制信号，可并行发出控制信号，执行速度快，但微指令字长较长。
垂直型微指令：采用编码方式表示控制信号，需要译码后产生控制信号，微指令字长较短，但执行速度较慢。
混合型微指令：结合水平型和垂直型的特点，部分字段直接控制，部分字段编码，字长和性能介于两者之间。
10.简述提高并行性的技术途径
时间并行：采用流水线技术，使不同操作在不同时间阶段重叠执行。
空间并行：设置多个运算部件或多处理器，使多个任务同时执行。
时间并行+空间并行：时间重叠和资源重复如超标量流水技术。
11.说明流水线中的主要问题和解决方法
- 结构相关：多条指令同时使用同一硬件资源引起冲突，可通过硬件阻塞或增加硬件资源。
- 数据相关：后一条指令依赖前一条指令的运算结果，可通过硬件阻塞、转发旁路技术（不能解决Load-use数据冒险）。
- 控制相关：由于分支或转移指令导致指令执行顺序不确定，可采用将转移指令后一条指令的IF段硬件阻塞3个时钟。