计算机组成原理第七、八章答案

指令系统第七章1.什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？答：机器指令：把每一条机器语言的语句叫机器指令。指令系统：将全部机器指令的集合叫做机器的指令系统•机器的指令系统集中反映了机器的功能。计算机设计者主要研究如何确定机器的指令系统，如何用硬件电路，芯片，设备来实现机器指令系统的功能，计算机的使用者则是依据机器提供的指令系统，使用汇编语言来编制各种程序。计算机使用者根据机器指令系统所描述的机器功能，能很清楚地了解计算机内部寄存器-存储器的结构。以及计算机能直接支持的各种数据类型。2019/12/1123.什么是指令字长、机器字长和存储字长？答：指令字长即指机器指令中含二进制代码的总位数。指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。不同的指令的字长是不同的。存储字长指一个存储单元存储二进制代码的位数。机器字长指CPU一次能处理中数据的位数你，通常与CPU中寄存器的位数有关。三者位数可以相等，也可以不等。2019/12/1134.零地址指令的操作数来自哪里？一地址指令的另一个操作数地址通常可采取什么寻址方式获得？各举一例说明。答：零地址指令的操作数来自堆栈的栈顶和次栈顶。一地址指令的另一个操作数通常可采用隐含寻址方式获得，即将另一操作数预先存放在累加器ACC中。2019/12/1146.某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。解：三地址指令格式如下：4444OPA1A2A3解题思路：以三地址指令格式为该指令系统的基本格式。以此格式为基础，采用扩展操作码技术，设计出题意所要求的地址码结构的指令。指令操作码分配方案如下：4位OP0000，……，A1，A2，A3；8条三地址指令0111，1000，0000，……，……，A2，A3；16条二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，……，……，……，A3；100条一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，……，……，……，冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数1010，……，冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数指令操作码分配方案7.设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。如果定义了13条二地址指令，试问还可安排多少条一地址指令？解：二地址指令格式如下：466OPA1A2设二地址指令格式为该指令系统的基本格式，4位操作码共有16种编码，其中13种用来定义二地址指令，还剩3种可用作扩展标志。如不考虑零地址指令，该指令系统最多还能安排：一地址指令条数=3×26=192条8.某机指令字长16位，每个操作数的地址码为6位，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种格式。若零地址指令有M种，一地址指令有N种，则二地址指令最多有几种？若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有几种？解：1）若采用定长操作码时，二地址指令格式如下：466OPA1A2此时，无论指令中有几个地址，指令格式都不变。设二地址指令有K种，则：K=24-M-N当M=1（最小值），N=1（最小值）时，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1=14种2）若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如1）所示，但操作码长度可随地址码的个数而变。此时，M=((24-K)*26-N)*26，即K=24-(N/26+M/212)；（N/26+M/212向上取整）当（N/26+M/212）1时，K最大，则二地址指令最多有：Kmax=16-1=15种（只留一种编码作扩展标志用。）讨论：此时一地址指令条数为：N=（24-K）×26-M/26；（M/26向上取整）。零地址指令条数为：M=216-212K-26N；当K最大时（K=15），一地址指令最多有：Nmax=64-1=63种；零地址指令最多有：Mmax=64种注意：应首先根据题意画出指令基本格式。9.试比较间接寻址和寄存器间接寻址。•间接寻址和寄存器间址都可扩大寻址范围，它们形成有效地址的方式类似：间接寻址需通过访存（若是多次间址还需多次访存）得到有效地址；寄存器间接寻址有效地址不是存放在存储单元中，而是存放于寄存器中，故比间接寻址少访存一次。2019/12/111110.试比较基址寻址和变址寻址。解：比较如下：1）都可有效地扩大指令寻址范围。2）基址寻址时，基准地址由基址寄存器给出，地址的改变反映在位移量A的取值上；变址寻址时，基准地址由A给出，地址的改变反映在变址值的自动修改上，变址值由变址寄存器给出。3）基址寄存器内容通常由系统程序设定，变址寄存器内容通常由用户设定。4）基址寻址适用于程序的动态重定位，变址寻址适用于数组或字符串处理，适用场合不同。11.画出先变址再间址及先间址再变址的寻址过程示意图。解：1）先变址再间址寻址过程简单示意如下：EA=[(IX)+A]，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作数主存IX：变址寄存器，既可是专用寄存器，也可是通用寄存器之一。设一重间接2）先间址再变址寻址过程简单示意如下：EA=(IX)+(A)，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作数主存IX：变址寄存器，既可是专用寄存器，也可是通用寄存器之一。设一重间接注意：1）英文缩写EA表示有效地址，不能乱用。2）示意图中应标明EA（有效地址）的位置。12.画出“SUB@R1”指令对操作数的寻址及减法过程的流程图。设被减数和结果存于ACC中，@表示间接寻址，R1寄存器的内容为2074H。解：SUB@R1指令寻址及减法过程的流程图：取指令（可省）寻址操作：寄存器间址EA=(R1)=2074HEAMAR，读M(EA)MDR(ACC)-(MDR)ACCAA（公操作）注：在没有指定数据通路的情况下，此流程只是一个粗略的示意。13.画出执行“ADD*-5”指令（*为相对寻址特征）的信息流程图。设另一个操作数和结果存于ACC中，并假设（PC）=4000H。解：由于本题未指定数据通路结构，因此只能大概地排一下信息流程图，并且流程图中突出寻址过程的实现。ADD*-5指令信息流程图如下：取指令（可省）寻址计算：EA=(PC)-5=4000H+FFFBH=3FFBHEAMAR，读M(EA)MDR(ACC)+(MDR)ACCAA（公操作）14.设相对寻址的转移指令占两个字节，第一个字节是操作码，第二个字节是相对位移量，用补码表示。假设当前转移指令第一字节所在的地址为2000H，且CPU每取出一个字节便自动完成（PC）+1PC的操作。试问当执行“JMP*+8”和“JMP*-9”指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？解：据题意，相对寻址的转移指令格式如下：OPA2000H2001H2002H当执行JMP指令时，指令第二字节的内容不变，PC的内容变为2002H。此时转移指令第二字节内容各为：A1=+8=00001000=08HA2=-9=11110111=F7H其有效地址各为：EA1=(PC)+8=2002H+0008H=200AHEA2=(PC)–9=2002H+FFF7H=1FF9H16.某机主存容量为4M16位，且存储字长等于指令字长，若该机指令系统可完成108种操作，操作码位数固定，且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等六种寻址方式，试回答以下问题。（1）画出一地址指令格式并指出各字段的作用。（2）该指令直接寻址的最大范围。（3）一次间接寻址和多次间接寻址的寻址范围。（4）立即数的范围（十进制表示）。（5）相对寻址的位移量（十进制表示）。（6）上述六种寻址方式的指令中哪一种执行时间最短，哪一种最长，为什么？哪一种便于程序浮动，哪一种最适合处理数组问题？（7）如何修改指令格式，使指令的寻址范围可扩大到4M？（8）为使一条转移指令能转移到主存的任一位置，可采取什么措施？简要说明之。解：（1）单字长一地址指令格式：736OPMA各字段的作用：OP——操作码字段，提供至少108种指令操作码；M——寻址方式码字段，指出6种寻址方式；A——形式地址字段，给出寻址所需的形式地址。（2）A为6位，该指令直接寻址的最大范围为26=64字；（3）一次间址的寻址范围为216=64K字；多次间址的寻址范围为215=32K字；（4）立即数的范围：若采用补码表示为1FH~20H；十进制表示为31~-32；无符号数为0~63；（5）相对寻址的位移量范围在采用补码表示时同立即数范围，为31~-32；（6）六种寻址方式中，立即寻址指令执行时间最短，因为此时不需寻址；间接寻址指令执行时间最长，因为寻址操作需访存一次到多次；相对寻址便于程序浮动，因为此时操作数位置可随程序存储区的变动而改变，总是相对于程序一段距离；变址寻址最适合处理数组问题，因为此时变址值可自动修改而不需要修改程序。（7）为使指令寻址范围可扩大到4M，需要有效地址22位，此时可将单字长一地址指令的格式改为双字长，如下图示：736OPMAA16图中，指令的第一字保持原来格式不变，形式地址A扩展到第2个字。这样，直接寻址时，EA=A=16+6=22位，正好可访问4M地址空间。由于A的扩展，变址、基址、相对、立即数等寻址方式也扩展到22位。（8）如使一条转移指令能转移到主存的任一位置，可采用上述双字长一地址指令，通过选用合适的寻址方式完成。（如选用直接寻址就可转移到主存任一位置，但选用相对寻址则只能在±2M范围内转移。）除此之外，（7）、（8）两题也可通过段寻址方式达到扩大寻址空间的目的（此时不需修改指令格式）。总之，不论采取何种方式，最终得到的实际地址应是22位。方案二：（7）如果仍采用单字长指令（16位）格式，为使指令寻址范围扩大到4M，可通过段寻址方案实现。安排如下：硬件设段寄存器DS（16位），用来存放段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬件自动完成段寻址，最后得22位物理地址。物理地址=（DS）26+EA注：段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬件自动完成，对用户是透明的。方案三：（7）在采用单字长指令（16位）格式时，还可通过页面寻址方案使指令寻址范围扩大到4M。安排如下：硬件设页面寄存器PR（16位），用来存放页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当需要使指令寻址范围扩大到4M时，编程选择页面寻址方式，则：EA=（PR）‖A（有效地址=页面地址“拼接”6位形式地址）这样得到22位有效地址。通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区别：1）基址寻址的基地址一般比较长（存储器地址位数），位移量比较短（=形式地址位数），相加后得到的有效地址长度=基地址长度。此时主存不分段。实际地址=有效地址=基地址+位移量段寻址是基址寻址的一种变种，当基地址短于存储地址时，基址寻址就变成了段寻址，基地址就叫做段地址，此时主存分段。实际地址=段地址偏移量+段内位移量（有效地址）2）基址寻址一般在机器字长存储地址长度的机器中，可直接通过寻址计算获得实际地址。在机器字长存储地址长度的机器中，由于CPU内部数据通路的限制，编程指定的任何一种寻址计算得到的有效地址长度都等于机器字长，为获得更长的地址字，硬件自动通过段寻址计算出存储器实际地址。此时除ALU之外，硬件还要增设专用的地址加法器。相关问题：*一般：机器字长=存储字长；*CPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位数=机器字长；*通常：指令字长不一定等于机器字长。早期的小型机由于字长较短，指令常以机器字长为单位变化（几字长指令，如PDP-11机），目前以字节长为单位变化（几字节指令）的较多。习题中指令字长=机器字长的假设只是为简单起见；*当设指令字长=存储字长（=机器字长）时，如用立即寻址，由于立即数由形式地址直接给出，而形式地址的位数肯定不足一个字长，因此立即寻址非常适用于编程给出短常数的场合。提示：寻址方式的正确选择与编程技巧