2011考研计算机组成原理
I：程序中的指令条数
C：执行每条指令平均使用的机器周期数 T：每个机器周的时间长度
由于在RISC结构的计算机中，只用硬件实现为数较少的简单指令，有利益缩短每个机器周期的时间长度T；复杂一些的指令用软件子程序实现，故同一个程序中指令条数略多出20%~40%；但大多数指令在一个机器周期中完成，平均用的机器周期数大为减少。总的计算下来，RISC的性能可以达到CISC的2~5倍。 4.7 RISC计算机的特点
只选用与实现一些简单、但使用频率高的指令，并用这些指令的子程序实现复杂的指令，选用硬连线方案的控制器，有利于提高CPU的时钟频率；
指令长度固定，指令格式和选址方式种类少；
只有取数/存数指令访问存储器，其他指令的操作都在CPU的寄存器中完成，寄存器的个数多，属于面向寄存器结构的系统；
在器件芯片中控制器线路占用的面积大为减少，节省的面积可制作其他功能的线路； 采用指令流水线技术，大部分指令能在一个机器周期中完成，通常还选用超流水线、超标量技术，可做到在一个时钟周期中完成一条以上的指令，
采用优化的编译技术，配合相应的硬件结构，大大提高了系统的运行性能。 ★★ 常见题型及其解法 题型一 选择填空题
[例2.15] 为了缩短指令中某个地址段的位数，有效的方法是采取
[例2.16]
（A） 立即寻址； （B） 变址寻址； （C） 间接寻址； （D） 寄存器寻址； 解：（D）； 提示：由于计算机中寄存器的数量一般很少，采用寄存器寻址时可用少量的代码来指定寄存器，这样可以减少对应地址段的代码位数，也可减少整个指令的代码长度。
[例2.17] 采用直接寻址方式，则操作数在 （A） 主存中； （B） 寄存器中；
（C） 直接存取存储器中； （D） 光盘中； 解：（A）； 提示：直接寻址方式是指在指令中直接给出操作数在存储器中的地址，操作数在主存储器中，指令中的地址直接作为有效地址，对存储器进行访问即可取得操作数。
[例2.18] 零地址指令的操作数一般隐含在 （A） 磁盘中； （B） 磁带中； （C） 寄存器中； （D） 光盘中； 解：（C）；
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提示：零地址指令只有操作码，没有操作数。这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认为操作数在寄存器中，指令可直接访问寄存器。 [例2.19] 假设寄存器 R 中的数值为 200 ，主存地址为 200 和 300 的地址单元中存放的内容分别是 300 和 400 ，则什么方式下访问到的操作数为 200（ ）。
（A） 直接寻址 200；
（B） 寄存器间接寻址（R）； （C） 存储器间接寻址（200）； （D） 寄存器寻址 R； 解：（D）； 提示：直接寻址200的操作数为300,寄存器间接寻址(R)的操作数300,存储器间接寻址（200）的操作数为400，寄存器寻址R的操作数为200。
[例2.20] 指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是 （A） 实现存储程序和程序控制；
（B） 缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性； （C） 可以直接访问外存；
（D） 提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度； 解：（B）；
[例2.21] 输入输出指令的功能是 （A） 进行算术运算和逻辑运算；
（B） 进行主存与CPU之间的数据传送； （C） 进行CPU和I/O设备之间的数据传送； （D） 改变程序执行的顺序； 解：（C）；
[例2.22] 寻址方式解决的是指如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数、或怎样计算出操作数的地址。表示在指令中的操作数地址，通常被称为 ；用这种形式地址并结合某些规则，可以计算出操作数在存储器中的存储单元地址，这一地址被称为数据的 。
解：形式地址；物理（有效）地址； [例2.23] 计算机语言的层次，一般分为 、 和 三级。 ，又称二进制执行码，是计算机硬件能直接识别和执行的。
解：机器语言；汇编语言；高级语言；机器语言； 题型二 综合应用题
[例4.1] 按指令所完成的功能进行分类，一般可以分为哪几类？ 解：
算术与逻辑运算指令，是每台计算机都必须具有的指令，它通常用于在计算机的运算器部件中完成对一或两个数据的算术运算或逻辑运算功能。
移位操作指令，包括算术移位、逻辑移位、循环移位三种，用于把指定的一个操作数左移或右移一（多）位。
数据传送指令，用于实现通用寄存器之间、通用寄存器与内存储器存储单元之间、内存储器不同存储单元之间、寄通用存器与外围设备（接口）之间（有些场合也可以单独划分为输入/输出指令）的数据传送功能。
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转移指令、子程序调用与返回指令，用于解决变动程序中指令执行次序的需求。
特权指令，是指仅用于操作系统或其它系统软件的指令，为确保系统与数据安全起见，这一类指令不提供给用户使用。
其它指令，如动态停机指令、空操作指令、置条件码指令、开中断指令、关中断指令、堆栈操作指令等，用于完成某些特定的处理功能。
[例4.2] 计算机指令中要用到的操作数一般可以来自哪些部件？ 解：
操作数的第一个来源、去处，可以是CPU 内部的通用寄存器，此时应在指令字中给出用到的寄存器编号（寄存器名），通用寄存器的数量一般为几个、十几个，故在指令字中须为其分配2、3、4、5或更多一点的位数来表示一个寄存器。
操作数第二的来源、去处，可以是外围设备（接口）中的一个寄存器，通常用设备编号、或设备入出端口地址、或设备映像地址（与内存储器地址统一编址的一个设备地址编号）来表示。
操作数的第三个来源、去处，可以是内存储器的一个存储单元，此时应在指令字中给出该存储单元的地址。
★★★知识点测试 一、选择（单选）
1. 立即寻址是指
（A）指令中直接给出操作数地址； （B）指令中直接给出操作数； （C）指令中间接给出操作数； （D）指令中间接给出操作数地址； 2. 直接寻址是指
（A）指令中直接给出操作数地址； （B）指令中直接给出操作数； （C）指令中间接给出操作数； （D）指令中间接给出操作数地址； 3. 执行一条指令的步骤是
①读取指令②执行指令③分析指令 （A）①②③； （B）①③②； （C）③②①； （D）②①③；
4. 变址寻址方式中，操作数的有效地址等于 （A）基址寄存器内容加上形式地址（位移量）； （B）堆栈指示器内容加上形式地址； （C）变址寄存器内容加上形式地址； （D）程序计数器内容加上形式地址；
5. 关于操作数的来源和去处，表述不正确的是
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（A）第一个来源去处是CPU寄存器； （B）第二个来源去处是外设中的寄存器； （C）第三个来源去处是内存中的存贮器； （D）第四个来源去处是外存贮器； 6. 扩展操作码是
（A）操作码字段外辅助操作字段的代码； （B）操作码字段中用来进行指令分类的代码； （C）指令格式中不同字段设置的操作码；
（D）一种指令优化技术，即让操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数指令可以有不同的操作码长度；
7. 相对寻址方式中，求有效地址使用加上偏移量 （A）基址寄存器内容； （B）栈指示器内容； （C）变址寄存器内容； （D）程序计数器内容； 8. 堆栈寻址的原则是 （A）先出后进； （B）后进先出； （C）先进先出； （D）后进后出； 三、填空题
1. 计算机语言的层次，一般分为三级。 ，又称二进制执行码，是计算机硬件能直接识别和执行的。 ，又称符号语言, 它大体上是机器语言的符号化，并提供了另外一些更高级的编计算机语言的层次，一般分为程支持。 ，又称算法语言，它更多的是面向解题的算法，而不再是直接面向计算机硬件。
2. 寄存器直接寻址是 ，寄存器间接寻址是 ，所以指令执行的速度前者比后者 。 四、分析应用和设计题
1. 举例说明计算机中寄存器寻址、寄存器间接寻址方式，从形式地址到得到操作数的寻址处理过程。
2. 举例说明计算机中常用的变址寻址、堆栈寻址方式，从形式地址到得到操作数的寻址处理过程。
3. 按照操作数的个数不同，把指令分成哪几种？
4. 简要说明要确定一台计算机的指令系统并评价其优劣，通常应从哪几个方面考虑。 5. 计算机的字长为16位，内部有8个通用寄存器，内存按字编址共1K，指令系统采用单字长指令，有零操作数、单操作数、双操作数三种指令格式，且支持8位立即数寻址指令4条，直接寻址寻址指令4条、双操作数的寄存器（直接、间接）寻址指令32条、单操作数的寄存器（直接、间接）寻址指令128条，变址寻址（偏移量8位）寻址指令2条、相对寻址（偏移量8位）寻址指令16条、零操作数指令1024条。请设计该计算机的完整指令格式，并给出指令操作码编码。
解：
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由于该指令采用单字长编码，所以指令长度为16位；内部8个通用寄存器，在指令中需要用3位对其进行访问；要访问1k的内存需要10位。
在直接寻址的指令为4条，同时为了指令的扩展，还必须留出1位扩展位，那么操作码至少需要3位来表示。同样的道理，在立即数寻址的指令需要5位来表示操作码；在变址寻址的指令需要3位来表示操作码，且变址寄存器只使用编号为0-3号寄存器，采用2位来表示；在相对寻址的指令需要8位来表示操作码；在双操作数的寄存器寻址的指令需要10位来表示操作码；在双操作数的寄存器寻址的指令需要13位来表示操作码。在零操作数指令中不需要保留扩展为，所以需要16位来表示操作码。所以，指令格式如下表：
直接寻址 变址寻址 立即数寻址 相对寻址 双操作数寄存器寻址： 单操作数寄存器寻址 零操作数
OP（3） OP（3） OP（5） OP（8） OP（10） OP（13） OP（16） 寄存器编号（3） 目的寄存器（3） 寄存器编号（3） 偏移量（8） 目的寄存器编号（3） 源寄存器编号（3） 寄存器编号（3） 直接地址（10位） 变址寄存器编号（2） 偏移量（8） 立即数（8位）
指令操作码编码如下表：
000 ? 011 100 ? 101 110 ? 110 111 ? 111 111 ? 111 111 ? 111 111 ?
XXX ? XXX 00X ? 11X 00X ? 11X 000 ? 011 100 ? 101 110 ? 110 111 ? XXXXXXXXXX ? XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX ? XXXXXXXXXX XXXXXXXXXX ? XXXXXXXXXX 00XXXXXXXX ? 11XXXXXXXX 0000XXXXXX ? 1111XXXXXX 0000000XXX ? 1111111XXX 0000000000 ? 第45页 共65页
直接寻址（4条） 变址寻址（2条） 立即数寻址（4条） 相对寻址（16条） 寄存器双址寻址（32条） 寄存器单址寻址（128条） 零操作数（1024条）