计算机组成原理chapter7

6.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：4444OPAOPA11AA22AA33解题思路：以三地址指令格式为该指令系统的解题思路：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，采用基本格式。以此格式为基础，采用扩展操作码扩展操作码技技术，设计出题意所要求的地址码结构的指令。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指令操作码分配方案如下：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：466OPAOPA11AA22设二地址指令格式为该指令系统的基本格式，设二地址指令格式为该指令系统的基本格式，44位位操作码共有操作码共有1616种种编码，其中编码，其中1313种种用来定义二地址指用来定义二地址指令，还剩令，还剩33种种可用作可用作扩展标志扩展标志。如不考虑零地址指。如不考虑零地址指令，该指令系统最多还能安排：令，该指令系统最多还能安排：一地址指令条数一地址指令条数=3=3××2266==192192条条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：466OPOPAA11AA22此时，无论指令中有几个地址，此时，无论指令中有几个地址，指令格式都不变指令格式都不变。。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，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。10.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+1+1ALUIRIREA操作数主存主存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IXIXIXOPMAOPMA+1+1ALUALUIRIREAEA操作数操作数主存主存IXIX：：变址寄存器，变址寄存器，既可是专用寄存器，既可是专用寄存器，也可是通用寄存器之一。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（省）取指令（省）寻址操作：寻址操作：寄存器间址寄存器间址EA=(R1)=2074HEA=(R1)=2074HEAEAMARMAR，，读读M(EA)M(EA)MDRMDR(ACC)(ACC)--(MDR)(MDR)ACCACCAAAA（公操作）（公操作）注：注：在没有指定数据通在没有指定数据通路的情况下，此流程只是一路的情况下，此流程只是一个粗略的示意。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（省）取指令（省）寻址计算：寻址计算：EA=(PC)EA=(PC)--55=4000H+FFFBH=4000H+FFFBH=3FFBH=3FFBHEAEAMARMAR，，读读M(EA)M(EA)MDRMDR(ACC)+(MDR)(ACC)+(MDR)ACCACCAAAA（公操作）（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：OPOPAA2000H2000H2001H2001H2002H2002H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：736OPMAOPMA各字段的作用：各字段的作用：OPOP————操作码操作码字段，提供至少字段，提供至少108108种指令操作码；种指令操作码；MM————寻址方式码寻址方式码字段，指出字段，指出66种种寻址方式；寻址方式；AA————形式地址形式地址字段，给出寻址所字段，给出寻址所需的形式地址。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：736OPMAOPMAAA1616图中，指令的第一字图中，指令的第一字保持保持原来格原来格式不变，形式地址式不变，形式地址AA扩展扩展到第到第22个字。个字。这样，直接寻址时，这样，直接寻址时，EA=A=16+6=EA=A=16+6=2222位位，正好可访问，正好可访问4M4M地址空间。由于地址空间。由于AA的扩展，变址、基址、相对、立即数的扩展，变址、基址、相对、立即数等寻址方式也扩展到等寻址方式也扩展到2222位。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有关。17.举例说明哪几种寻址方式在指令的执行阶段不访问存储器？哪几种寻址方式在指令的执行阶段只需访问一次存储器？完成什么样的指令，包括取指令在内共访问存储器4次？解