計算機組成原理課后答案(第二版)_唐朔飛_第七章.ppt

1、指 令 系 統(tǒng),第 七 章,6. 某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。 解：三地址指令格式如下： 4 4 4 4,解題思路：以三地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式。以此格式為基礎(chǔ)，采用擴展操作碼技術(shù)，設(shè)計出題意所要求的地址碼結(jié)構(gòu)的指令。 指令操作碼分配方案如下：,4位OP0000， A1，A2，A3；8條三地址指令0111，1000，0000， A2，A3；16條二地址指令1000，1111，1001，0000，0000， A3；100條一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，

2、冗余編碼1001，1111，1111， 可用來擴充一、零地址指令條數(shù)1010， 冗余編碼1111， 可用來擴充三、二、一、零地址指令條數(shù),指令操作碼分配方案,7. 設(shè)指令字長為16位，采用擴展操作碼技術(shù)，每個操作數(shù)的地址為6位。如果定義了13條二地址指令，試問還可安排多少條一地址指令？ 解：二地址指令格式如下： 4 6 6,設(shè)二地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式，4位操作碼共有16種編碼，其中13種用來定義二地址指令，還剩3種可用作擴展標志。如不考慮零地址指令，該指令系統(tǒng)最多還能安排： 一地址指令條數(shù) =326 =192條,8. 某機指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼為6位，設(shè)操作碼長度固定，

3、指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。若零地址指令有M種，一地址指令有N種，則二地址指令最多有幾種？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾種？ 解：1）若采用定長操作碼時，二地址指令格式如下： 4 6 6,此時，無論指令中有幾個地址，指令格式都不變。,設(shè)二地址指令有K種，則： K=24-M-N 當(dāng)M=1（最小值），N=1（最小值）時，二地址指令最多有： Kmax=16-1-1=14種 2）若采用變長操作碼時，二地址指令格式仍如1）所示，但操作碼長度可隨地址碼的個數(shù)而變。此時， K= 24 -（N/26 + M/212 ）； （N/26 + M/212 向上取整） 當(dāng)（N/26 + M/2

4、12 ） 1時，K最大，則二地址指令最多有： Kmax=16-1=15種（只留一種編碼作擴展標志用。）,討論：此時，一地址指令條數(shù)為： N=（24 - K）26 - M/26； （ M/26向上取整）。 零地址指令條數(shù)為： M = 216 - 212K - 26N； 當(dāng)K最大時（K=15），一地址指令最多有： Nmax=64 - 1=63種； 零地址指令最多有： Mmax=64種 注意：應(yīng)首先根據(jù)題意畫出指令基本格式。,10. 試比較基址尋址和變址尋址。 解：比較如下： 1）都可有效地擴大指令尋址范圍。 2）基址尋址時，基準地址由基址寄存器給出，地址的改變反映在位移量A的取值上；變址尋址時，基

5、準地址由A給出，地址的改變反映在變址值的自動修改上，變址值由變址寄存器給出。 3）基址寄存器內(nèi)容通常由系統(tǒng)程序設(shè)定，變址寄存器內(nèi)容通常由用戶設(shè)定。 4）基址尋址適用于程序的動態(tài)重定位，變址尋址適用于數(shù)組或字符串處理，適用場合不同。,11. 畫出先變址再間址及先間址再變址的尋址過程示意圖。 解：1）先變址再間址尋址過程簡單示意如下： EA=(IX)+A， (IX)+1IX,IX,+1,IR,主存,IX：變址寄存器， 既可是專用寄存器， 也可是通用寄存器之一。,設(shè)一重間接,2）先間址再變址尋址過程簡單示意如下： EA=(IX)+(A)， (IX)+1IX,IX,+1,IR,EA,操作數(shù),主存,IX

6、：變址寄存器， 既可是專用寄存器， 也可是通用寄存器之一。,設(shè)一重間接,注意： 1）英文縮寫EA表示有效地址，不能亂用。 2）示意圖中應(yīng)標明EA（有效地址）的位置。,12. 畫出“SUB R1”指令對操作數(shù)的尋址及減法過程的流程圖。設(shè)被減數(shù)和結(jié)果存于ACC中，表示間接尋址，R1寄存器的內(nèi)容為2074H。 解： SUB R1指令尋址及減法過程的流程圖：,取指令（?。?尋址操作： 寄存器間址 EA=(R1) =2074H,EA MAR，讀,M(EA) MDR,(ACC)-(MDR) ACC,A,A,（公操作）,注：在沒有指定數(shù)據(jù)通路的情況下，此流程只是一個粗略的示意。,13. 畫出執(zhí)行“ADD *

7、-5”指令（*為相對尋址特征）的信息流程圖。設(shè)另一個操作數(shù)和結(jié)果存于ACC中，并假設(shè)（PC）=4000H。 解：由于本題未指定數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，因此只能大概地排一下信息流程圖，并且流程圖中突出尋址過程的實現(xiàn)。 ADD *-5指令信息流程圖如下：,取指令（?。?尋址計算： EA=(PC)-5 =4000H+FFFBH =3FFBH,EA MAR，讀,M(EA) MDR,(ACC)+(MDR) ACC,A,A,（公操作）,14. 設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是相對位移量，用補碼表示。假設(shè)當(dāng)前轉(zhuǎn)移指令第一字節(jié)所在的地址為2000H，且CPU每取出一個字節(jié)便自動完成（PC

8、）+1PC的操作。試問當(dāng)執(zhí)行“JMP *+8”和“JMP *-9”指令時，轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)的內(nèi)容各為多少？ 解：據(jù)題意，相對尋址的轉(zhuǎn)移指令格式如下：,2000H 2001H 2002H,當(dāng)執(zhí)行JMP指令時，指令第二字節(jié)的內(nèi)容不變，PC的內(nèi)容變?yōu)?002H。此時轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)內(nèi)容各為： A1= +8 = 0000 1000 = 08H A2= -9 = 1111 0111 = F7H 其有效地址各為： EA1= (PC) +8 = 2002H+0008H = 200AH EA2= (PC) 9 =2002H+FFF7H = 1FF9H,16. 某機主存容量為4M16位，且存儲字長等于指令字長，

9、若該機指令系統(tǒng)可完成108種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有直接、間接、變址、基址、相對、立即等六種尋址方式，試回答以下問題。 （1）畫出一地址指令格式并指出各字段的作用。 （2）該指令直接尋址的最大范圍。 （3）一次間接尋址和多次間接尋址的尋址范圍。 （4）立即數(shù)的范圍（十進制表示）。,（5）相對尋址的位移量（十進制表示）。 （6）上述六種尋址方式的指令中哪一種執(zhí)行時間最短，哪一種最長，為什么？哪一種便于程序浮動，哪一種最適合處理數(shù)組問題？ （7）如何修改指令格式，使指令的尋址范圍可擴大到4M？ （8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采取什么措施？簡要說明之。,解： （1）單字長一地址

10、指令格式： 7 3 6,OP M A,各字段的作用： OP操作碼字段，提供至少108種指令操作碼； M尋址方式碼字段，指出6種尋址方式； A形式地址字段，給出尋址所需的形式地址。,（2）A為6位，該指令直接尋址的最大范圍為26=64字； （3）一次間址的尋址范圍為216=64K字； 多次間址的尋址范圍為215=32K字； （4）立即數(shù)的范圍：若采用補碼表示為1FH20H；十進制表示為31 -32；無符號數(shù)為063； （5）相對尋址的位移量范圍在采用補碼表示時同立即數(shù)范圍，為31 -32；,（6）六種尋址方式中，立即尋址指令執(zhí)行時間最短，因為此時不需尋址； 間接尋址指令執(zhí)行時間最長，因為尋址操作

11、需訪存一次到多次； 相對尋址便于程序浮動，因為此時操作數(shù)位置可隨程序存儲區(qū)的變動而改變，總是相對于程序一段距離； 變址尋址最適合處理數(shù)組問題，因為此時變址值可自動修改而不需要修改程序。,（7）為使指令尋址范圍可擴大到4M，需要有效地址22位，此時可將單字長一地址指令的格式改為雙字長，如下圖示： 7 3 6,OP M A,A,16 圖中，指令的第一字保持原來格式不變，形式地址A擴展到第2個字。這樣，直接尋址時，EA=A=16+6=22位，正好可訪問4M地址空間。由于A的擴展，變址、基址、相對、立即數(shù)等尋址方式也擴展到22位。,（8）如使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采用上述雙字長一地址指

12、令，通過選用合適的尋址方式完成。（如選用直接尋址就可轉(zhuǎn)移到主存任一位置，但選用相對尋址則只能在2M范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移。） 除此之外，（7）、（8）兩題也可通過段尋址方式達到擴大尋址空間的目的（此時不需修改指令格式）?？傊?，不論采取何種方式，最終得到的實際地址應(yīng)是22位。,方案二： （7）如果仍采用單字長指令（16位）格式，為使指令尋址范圍擴大到4M，可通過段尋址方案實現(xiàn)。安排如下： 硬件設(shè)段寄存器DS（16位），用來存放段地址。在完成指令尋址方式所規(guī)定的尋址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬件自動完成段尋址，最后得22位物理地址。 物理地址=（DS） 26 + EA 注：段尋址方式由硬件隱含實現(xiàn)

13、。在編程指定的尋址過程完成、EA產(chǎn)生之后由硬件自動完成，對用戶是透明的。,方案三： （7）在采用單字長指令（16位）格式時，還可通過頁面尋址方案使指令尋址范圍擴大到4M。安排如下： 硬件設(shè)頁面寄存器PR（16位），用來存放頁面地址。指令尋址方式中增設(shè)頁面尋址。當(dāng)需要使指令尋址范圍擴大到4M時，編程選擇頁面尋址方式，則： EA =（PR）A（有效地址=頁面地址“拼接”6位形式地址） 這樣得到22位有效地址。,通過基址尋址與段尋址獲得實際地址的區(qū)別： 1）基址尋址的基地址一般比較長（存儲器地址位數(shù)），位移量比較短（=形式地址位數(shù)），相加后得到的有效地址長度=基地址長度。此時主存不分段。 實際地址=

14、有效地址=基地址+位移量 段尋址是基址尋址的一種變種，當(dāng)基地址短于存儲地址時，基址尋址就變成了段尋址，基地址就叫做段地址，此時主存分段。 實際地址=段地址偏移量+段內(nèi)位移量（有效地址）,2）基址尋址一般在機器字長存儲地址長度的機器中，可直接通過尋址計算獲得實際地址。 在機器字長存儲地址長度的機器中，由于CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路的限制，編程指定的任何一種尋址計算得到的有效地址長度都等于機器字長，為獲得更長的地址字，硬件自動通過段尋址計算出存儲器實際地址。此時除ALU之外，硬件還要增設(shè)專用的地址加法器。 相關(guān)問題： * 一般：機器字長=存儲字長； * CPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位數(shù)=機器字長

15、；,* 通常：指令字長不一定等于機器字長。早期的小型機由于字長較短，指令常以機器字長為單位變化（幾字長指令，如PDP-11機），目前以字節(jié)長為單位變化（幾字節(jié)指令）的較多。習(xí)題中指令字長=機器字長的假設(shè)只是為簡單起見； * 當(dāng)設(shè)指令字長=存儲字長（=機器字長）時，如用立即尋址，由于立即數(shù)由形式地址直接給出，而形式地址的位數(shù)肯定不足一個字長，因此立即尋址非常適用于編程給出短常數(shù)的場合。 提示：尋址方式的正確選擇與編程技巧有關(guān)。,17. 舉例說明哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段不訪問存儲器？哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段只需訪問一次存儲器？完成什么樣的指令，包括取指令在內(nèi)共訪問存儲器4次？ 解：舉例

16、如下： 1）一地址指令在執(zhí)行階段不訪存的尋址方式有：寄存器尋址、立即尋址。 2）一地址指令在執(zhí)行階段只訪存一次的尋址方式有：寄存器間接尋址、直接尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址、頁面尋址。,3）包括取指在內(nèi)共訪存四次的指令有：二重間址的一地址指令；一重間址的二地址指令，當(dāng)另一操作數(shù)采用直接、基址、變址、相對、頁面、寄存器間接尋址時。,19. CPU內(nèi)有32個32位的通用寄存器，設(shè)計一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長等于機器字長，試回答以下問題。 （1）如果主存可直接或間接尋址，采用“寄存器存儲器”型指令，能直接尋址的最大存儲空間是多少？畫出指令格式并說明各字段的含義。 （2）在滿足（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，則上述“寄存器存儲器”型指令的指令格式有何特點？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲空間？,解： （1）如采用RS型指令，則此指令一定是二地址以上的地址格式，指令