计算机组成原理-练习(指令系统和CPU)

指令系统CPU--练习1.某指令系统中，指令字长为16位，指令操作码采用扩展编码法，有单地址指令、双地址指令两种指令。若每个地址码均为6位，且双地址指令为A条，则单地址指令最多有多少条？解：1、双地址指令操作码长为16b－2×6b＝4b，由题意，空闲24－A种编码2、单地址指令操作码长为16b－6b＝10b，可分为4b和6b两部分则单地址指令最多有(24－A)×26条。2.假设计算机约定主存按字节编址，数据在存储器中采用小端次序存放，CPU中设置有4个通用寄存器(记为R0~R3)，设置有寄存器SP指向存储器堆栈的栈顶，入栈操作时SP向递减方向移动。若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将R1入栈、出栈到R2、将R1入栈、将R2入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化，同时说明R0~R2的当前值。2.若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将R1入栈、出栈到R2、将R1入栈、将R2入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化，同时说明R0~R2的当前值。主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H20H00H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H20H00H20H00H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H空堆栈R0入栈R1入栈出栈到R2(SP)=1002H(SP)=1000H(SP)=0FFEH(SP)=1000H(R0)=0020H(R0)=0020H(R0)=0020H(R0)=0020H(R1)=0022H(R1)=0022H(R1)=0022H(R1)=0022H(R2)=0024H(R2)=0024H(R2)=0024H(R2)=0022H若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将R1入栈、出栈到R2、将R1入栈、将R2入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化，同时说明R0~R2的当前值。20H00H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H20H00H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H22H00H20H00H主存SP……0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H20H00HR1入栈R2入栈出栈到R0(SP)=0FFEH(SP)=0FFCH(SP)=0FFEH(R0)=0020H(R0)=0020H(R0)=0022H(R1)=0022H(R1)=0022H(R1)=0022H(R2)=0022H(R2)=0022H(R2)=0022H3.某机器字长为16位，存储器按字编址，指令字长同机器字长。指令格式如下：5bit3bit8bit操作码OP寻址方式位MOD形式地址D其中，MOD=000~100分别表示立即寻址、直接寻址、间接寻址、变址寻址和相对寻址，变址寻址只使用唯一的变址寄存器(记为RI)，形式地址D在MOD＝000及100时为补码表示、其余寻址方式时为无符号编码表示。（1）该指令格式能定义多少种不同的操作？立即寻址的操作数范围是多少？（2）写出各种寻址方式时，地址码对应的数据或地址表达式。（3）写出MOD=001、010、100时，能访问的最大主存区为多少个机器字。（1）由于操作码为5位，故可以定义25＝32种不同的操作；由于立即寻址的D用8位补码表示，故立即寻址的操作数范围为-128~+127。（2）设D＝[DZ]补，立即寻址的地址码表示的是：操作数＝DZ；直接寻址的地址码表示的是：操作数EA＝D；间接寻址的地址码表示的是：操作数EA＝[D]；变址寻址的地址码表示的是：操作数EA=(RI)+D；相对寻址的地址码表示的是：下条指令EA=(PC)+DZ。操作码OP寻址方式位MOD形式地址D（3）MOD＝001(直接寻址)时，操作数EA长度＝D的长度＝8bit，可访问的主存区为28＝256个机器字；MOD＝010(间接寻址)时，操作数EA长度＝存储字长＝机器字长＝16bit，可访问的主存区为216＝64K个机器字；MOD＝100(相对寻址)时，下条指令EA长度＝max{PC的长度，D的长度}＝max{16bit，8bit}＝16bit，可访问的主存区为216＝64K个机器字。4.设某机配有基址寄存器和变址寄存器，采用一地址格式的指令系统，允许直接和间接寻址，且指令字长、机器字长和存储字长均为16位。（1）若采用单字长指令，共能完成105种操作，则指令可直接寻址的范围是多少？一次间址的寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段的含义。（2）若存储字长不变，可采用什么方法直接访问容量为16MB的主存？（1）在单字长指令中，根据能完成105种操作，操作码取7位。因允许直接和间接寻址，且有基址寄存器和变址寄存器，故取2位寻址特征位，其指令格式如下：操作码OP寻址方式位MOD形式地址D7位2位7位直接寻址的范围为27＝128，一次间接寻址的寻址范围为216＝64K=65536（2）16MB=16M*8位=8M*16位，存储字长16位，所以寻址的范围为8M，地址的位数应为23位，如果采用单字长指令是无法满足的，可以采用双字长指令，操作码和寻址特征位均不变，格式如下(其中，形式地址为D1//D2，共7+16=23位，满足要求)操作码OP寻址方式位MOD形式地址D1D2ALU状态REGabcdAC+“1”微操作信号形成部件主存储器MM图CPU结构5.CPU结构如图所示，a～d为4个寄存器，各部分之间的连线为数据通路，箭头表示信息传送方向。（1）说明图中a～d这4个寄存器的名称。（2）简述从开始取指令到产生控制信号的数据流动的过程。解：（1）a为存储器数据寄存器(MDR)，b为指令寄存器(IR)，c为存储器地址寄存器(MAR)，d为程序计数器(PC)。（2）①PC→MAR；②MAR→MM，Read→MM，(PC)+1→PC；③MM→MDR；④MDR→IR；⑤IR→微操作信号形成部件。指令系统习题选择题：1、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.可以直接访问内存。D.提供扩展操作码的可能，并降低指令译码难度。2、单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个数常需采用：A.堆栈寻址方式。B.立即寻址方式。C.隐含寻址方式。D.间接寻址方式。3、二地址指令中，操作数的物理位置可安排在A.栈顶和次栈顶。B.两个主存单元。C.一个主存单元一个寄存器。D.两个寄存器。CBCD从操作数的物理位置来说，可把二地址指令可归结为三种类型：存储器-存储器（SS）型指令：参与操作的数都放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中。因此机器执行这种指令需要多次访问内存。寄存器-寄存器（RR）型指令：需要多个通用寄存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作结果放到另一寄存器中。机器执行这种指令的速度很快，不需要访问内存。寄存器-存储器（RS）型指令：执行此类指令，既要访问内存单元，又要访问寄存器4、对某个寄存器中操作数的寻址方式称为：A.直接寻址。B.间接寻址。C.寄存器寻址。D.寄存器间接寻址。5、寄存器间接寻址方式中，操作数处在：A.通用寄存器。B.主存单元。C.程序计数器。D.堆栈。6、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。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。CBC8、程序控制类指令的功能是：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。9、下列几项中，不符合RISC指令系统的特点是：A.指令种类少，译码简单。B.寻址方式种类尽量减少，指令功能尽可能强。C.增强寄存器的数目，以尽量减少访存次数。D.选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令。DB10、下面关于RISC技术的描述中，正确的是：A.采用RISC技术后，计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。B.为了实现兼容新设计的RISC是从原来的CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的。C.RISC的主要目标是减少指令数。D.RISC设有乘除法指令和浮点运算指令。C填空题1、一台计算机所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。2、指令格式是指令用二进制代码表示的结构形式，指令格式有操作码字段和地址码字段组成。3、指令操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址4、寻址方式按操作数的物理位置不同，多使用RR型和RS型，前者比后者执行速度快。5、数据寻址方式有：隐含、立即数、直接、间接、寄存器、寄存器间接、相对、基址、变址寻址等多种。6、堆栈是一种特殊的数据寻址方式，它采用先进后出原理。7、隐含寻址是指令格式中不明确给出操作数地址，而是隐含指定，通常以累加器作为隐含地址。立即寻址是指令的地址字段指出的不是操作数地址，而是操作数本身。指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。OP－源寄存器变址寄存器位移量（16位）解：指令格式与寻址方式特点如下：A.双字长二地址指令，用于访问存储器。操作码字段可指定64种操作。B.ＲＳ型指令，一个操作数在寄存器中，另一个操作数在主存中。C.有效地址可通过变址寻址求得，即有效地址等于变址寄存器内容加上位移量。03471015判断题1、执行指令时，下一条指令在内存中的地址存放在指令寄存器中。×2、没有设置乘除指令的计算机系统中，就不能实现乘除运算。×3、程序计数器用来指示从内存中取指令。√4、内存地址寄存器用来从内存中取数据。×5、计算机指令是指挥CPU进行操作的命令，指令通常由操作码和地址码组成。√6、浮点运算指令对用于科学计算的计算机是很必要的，可以提高机器的运算速度。√7、不设置浮点运算指令的计算机，就不能用于科学计算。×8、兼容机之间的指令系统是相同的，但硬件的实现方法可以不同。√9、处理大量输入输出数据的计算机，一定要设置十进制运算指令。×10、一个系列中的不同型号计算机，保持软件向上兼容的特点。√11、在计算机指令系统中，真正必须的指令数是不多的，其余的都是为了提高机器速度和便于编程而引入的。√12、扩展操作码是一种优化技术，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址的指令可以具有不同长度的操作码。√13、转移类指令能改变指令执行顺序，因此，执行之类指令时，PC和SP的值都将发生变化。×14、RISC的主要设计目标时减少指令数，降低软、硬件开销。√15、采用RISC技术后，计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。×16、RISC没有乘除指令和浮点运算指令。×