26考研——指令系统（4）

408答疑

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一、指令系统概述

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二、指令的寻址方式

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三、程序的机器级代码表示

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四、CISC 和 RISC 的基本概念

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五、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

26王道考研书

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六、总结

复习提示

• 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素。应掌握各种寻址方式的特点及有效地址的计算，三种偏移寻址（相对寻址、基址寻址和变址寻址）的计算，CISC 与 RISC 的特点与区别。
• 2022 年大纲新增机器级表示，机器级代码相关的题型曾在历年统考中多次考查，要能读懂代码。
• 本章知识点既可能出选择题，又可能结合其他章节出有关指令的综合题。
• 指令格式、机器指令和指令寻址方式与 CPU 指令执行过程部分紧密相关，需引起重视。

思考题

1. 什么是指令？什么是指令系统？为什么要引入指令系统？

   • 指令就是要计算机执行某种操作的命令。一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。引入指令系统后，避免了用户与二进制代码直接接触，使得用户编写程序更为方便。
   • 另外，指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。

2. 一般来说，指令分为哪些部分？每部分有什么用处？

   • 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。
   • 其中，操作码指出该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能，它是识别指令、了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使用方法的关键信息。
   • 地址码用于给出被操作的信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用子程序的入口地址等。

3. 对于一个指令系统来说，寻址方式多和少有什么影响？

   • 寻址方式的多样化能让用户编程更为方便，但多重寻址方式会造成 CPU 结构的复杂化，也不利于指令流水线的运行。
   • 而寻址方式太少虽然能够提高 CPU 的效率，但对于用户而言，少数几种寻址方式会使编程变得复杂，很难满足用户的需求。

常见问题和易混淆知识点

1. 简述各常见指令寻址方式的特点和适用情况。

   • 立即寻址：操作数获取便捷，通常用于给寄存器赋初值。

   • 直接寻址：相对于立即寻址，缩短了指令长度。

   • 间接寻址：扩大了寻址范围，便于编制程序，易于完成子程序返回。

   • 寄存器寻址：指令字较短，指令执行速度较快。

   • 寄存器间接寻址：扩大了寻址范围。

   • 基址寻址：扩大了操作数寻址范围，适用于多道程序设计，常用于为程序或数据分配存储空间。

   • 变址寻址：主要用于处理数组问题，适合编制循环程序。

   • 相对寻址：用于控制程序的执行顺序、转移等。

   • 基址寻址和变址寻址的区别：

     • 两种方式有效地址的形成都是 $寄存器内容+偏移地址$，但是在基址寻址中，程序员操作的是偏移地址，基址寄存器的内容由操作系统控制，在执行过程中是动态调整的；
     • 而在变址寻址中，程序员操作的是变址寄存器，偏移地址是固定不变的。

2. 一个操作数在内存可能占多个单元，怎样在指令中给出操作数的地址？

   • 现代计算机都采用字节编址方式，即一个内存单元只能存放一字节的信息。
   • 一个操作数（如 char, int, float, double）可能是 8 位、16 位、32 位或 64 位等，因此可能占用 1 个、2 个、4 个或 8 个内存单元。也就是说，一个操作数可能有多个内存地址对应。
   • 有两种不同的地址指定方式：大端方式和小端方式。
     • 大端方式：指令中给出的地址是操作数最高有效字节（MSB）所在的地址。
     • 小端方式：指令中给出的地址是操作数最低有效字节（LSB）所在的地址。

3. 装入/存储（LOAD/STORE）型指令有什么特点？

   • 装入/存储型指令是用在规整型指令系统中的一种通用寄存器型指令风格。这种指令风格在 RISC 指令系统中较为常见。

   • 为了规整指令格式，使指令具有相同的长度，规定只有 LOAD/STORE 指令才能访问内存。而运算指令不能直接访问内存，只能从寄存器取数进行运算，运算的结果也只能送到寄存器。因为寄存器编号较短，而主存地址位数较长，通过某种方式可使运算指令和访存指令的长度一致。

   • 这种装入存储型风格的指令系统的最大特点是，指令格式规整，指令长度一致，一般为 32 位。只有 LOAD/STORE 指令才能访问内存，因此程序中可能包含许多装入指令和存储指令，与一般通用寄存器型指令风格相比，其程序长度会更长。