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第6题      
知识点   指令系统   指令   精简指令系统计算机
关键词   RISC   指令系统   指令      分类   指令系统和计算机体系结构       

 
以下关于RISC (精简指令系统计算机)技术的叙述中,错误的是( )。
 
 
  A.  指令长度固定、指令种类尽量少
 
  B.  指令功能强大、寻址方式复杂多样
 
  C.  增加寄存器数目以减少访存次数
 
  D.  用硬布线电路实现指令解码,快速完成指令译码
 
 
 

 
  第4题    2016年上半年  
   38%
移位指令中的(4)指令的操作结果相当于对操作数进行乘2操作。
  第6题    2014年下半年  
   61%
Flynn分类法基于信息流特征将计算机分成4类,其中()只有理论意义而无实例。
  第6题    2012年上半年  
   21%
一条指令的执行过程可以分解为取指、分析和执行三步,在取指时间t取ft=3Δt、分析时间t分析=2Δt、执行时间..
 


   知识点讲解    
   · 指令系统    · 指令    · 精简指令系统计算机
 
       指令系统
        指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合,是一个CPU的根本属性。一条指令一般包括两个部分,即操作码和地址码。操作码指明操作的类型,地址码主要指明操作数及运算结果存放的地址。
        1)寻址方式
        表示指令中操作数所在的方法称为寻址方式。常见的寻址方式有以下几种。
        (1)立即寻址:操作数作为指令的一部分而直接写在指令中,这种操作数称为立即数。
        (2)寄存器寻址:指令所要的操作数已存储在某寄存器中,或把目标操作数存入寄存器。
        (3)直接寻址:指令所要的操作数存放在内存中,在指令中直接给出该操作数的有效地址。
        (4)寄存器间接寻址:操作数在存储器中,操作数的有效地址用SI、DI、BX和BP这4个寄存器之一来指定。
        (5)寄存器相对寻址:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)或变址寄存器(SI、DI)的内容和指令中的8位/16位偏移量之和。
        (6)基址加变址寻址方式:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)和一个变址寄存器(SI、DI)的内容之和。
        (7)相对基址加变址寻址:操作数在存储器中,其有效地址是一个基址寄存器(BX、BP)的值、一个变址寄存器(SI、DI)的值和指令中的8位/16位偏移量之和。
        2)CISC和RISC
        (1)CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)的基本思想是:进一步增强原有指令的功能,用更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能,实现软件功能的硬化,导致机器的指令系统越来越庞大而复杂。
        CISC的主要弊病如下。
        ①指令集过分庞杂。
        ②微程序技术是CISC的重要支柱,每条复杂指令都要通过执行一段解释性微程序才能完成,这就需要多个CPU周期,从而降低了机器的处理速度。
        ③由于指令系统过分庞大,使高级语言编译程序选择目标指令的范围很大,并使编译程序本身冗长而复杂,从而难以优化编译使之生成真正高效的目标代码。
        ④CISC强调完善的中断控制,势必导致动作繁多、设计复杂、研制周期长。
        ⑤CISC给芯片设计带来了很多困难,使芯片种类增多、出错概率增大、成本提高而成品率降低。
        (2)RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)的基本思想是:通过减少指令总数和简化指令功能,降低硬件设计的复杂度,使指令能单周期执行,并通过优化编译,提高指令的执行速度,采用硬线控制逻辑,优化编译程序。
        RISC的关键技术如下。
        ①重叠寄存器窗口技术。在加州大学伯克利分校的RISC项目中,首先采用了重叠寄存器窗口(Overlapping Register Windows)技术。
        ②优化编译技术。RISC使用了大量的寄存器,如何合理分配寄存器、提高寄存器的使用效率及减少访存次数等,都应通过编译技术的优化来实现。
        ③超流水及超标量技术。这是RISC为了进一步提高流水线速度而采用的技术。
        ④硬布线逻辑与微程序在微程序技术中相结合。
 
       指令
        指令是指挥计算机完成各种操作的基本命令。
        (1)指令格式。计算机的指令由操作码字段和操作数字段两部分组成。
        (2)指令长度。指令长度有固定长度的和可变长度的两种。有些RISC的指令是固定长度的,但目前多数计算机系统的指令是可变长度的。指令长度通常取8的倍数。
        (3)指令种类。指令有数据传送指令、算术运算指令、位运算指令、程序流程控制指令、串操作指令、处理器控制指令等类型。
 
       精简指令系统计算机
        复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer, CISC)的主要特点。
        (1)指令数量众多:指令系统拥有大量的指令,通常有100~250条左右。
        (2)指令使用频率相差悬殊:指令使用频率相差悬殊,最常使用的是一些比较简单的指令,仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频率却占80%。而大部分复杂指令却很少使用。
        (3)支持很多种寻址方式:支持的寻址方式通常为5~20种。
        (4)变长的指令:指令长度不是固定的,变长的指令增加指令译码电路的复杂性。
        (5)指令可以对存储器单元中数据直接进行处理:典型的CISC处理器通常都有指令能够直接对内存单元中的数据进行处理,其执行速度较慢。
        精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer, RISC)不是简单地把指令系统进行简化,而是通过简化指令的途径使计算机的结构更加简单合理,以减少指令的执行周期数,从而提高运算速度。
        RISC计算机的主要特点。
        (1)指令数量少:优先选取使用频率最高的一些简单指令以及一些常用指令,避免使用复杂指令。
        (2)指令的寻址方式少:通常只支持寄存器寻址方式、立即数寻址方式以及相对寻址方式。
        (3)指令长度固定,指令格式种类少:因为RISC指令数量少,格式相对简单,其指令长度固定,指令之间各字段的划分比较一致,译码相对容易。
        (4)只提供了Load/Store指令访问存储器:只提供了从存储器读数Load和把数据写入存储器Store两条指令,其余所有的操作都在CPU的寄存器间进行。
        (5)以硬布线逻辑控制为主:为了提高操作的执行速度,通常采用硬布线逻辑(组合逻辑)来构建控制器。而CISC机的指令系统很复杂,难以用组合逻辑电路实现控制器通常采用微程序控制。
        (6)单周期指令执行:因为简化了指令系统,很容易利用流水线技术使得大部分指令都能在一个机器周期内完成。少数指令可能会需要多个周期执行,例如Load/Store指令因为需要访问存储器,其执行时间就会长一些。
        (7)优化的编译器:RISC的精简指令集使编译工作简单化。因为指令长度固定、格式少、寻址方式少,编译时不必在具有相似功能的许多指令中进行选择,也不必为寻址方式的选择而费心,同时易于实现优化,从而可以生成高效率执行的机器代码。
        采用RISC技术的CPU硬件一般具有如下特点:寄存器数量多;采用流水线组织;控制器的实现采用硬布线控制逻辑电路。
        大多数RISC采用了Cache方案,使用Cache来提高取指的速度,而且有的RISC甚至使用两个独立的Cache来改善性能,一个称为指令Cache;另一个称为数据Cache。这样取指和读数可以同时进行,互不干扰。
        在理论上来看,CISC和RISC都有各自的优势,不能认为精简指令计算机就好,复杂指令计算机就不好,事实上这两种设计方法很难找到完全的界线,而且在实际的芯片中,这两种设计方法也有相互渗透的地方,下表是两者的简单对比。
        
        CISC和RISC的简单对比


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