計(jì)算機(jī)組成原理課后答案第二版唐朔飛第七章市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、指 令 系 統(tǒng)第 七 章第1頁(yè) 6. 某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)為16位，地址碼取4位，試提出一個(gè)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：三地址指令格式以下： 4 4 4 4 OP A1 A2 A3 解題思緒：以三地址指令格式為該指令系統(tǒng)基本格式。以此格式為基礎(chǔ)，采取擴(kuò)展操作碼技術(shù)，設(shè)計(jì)出題意所要求地址碼結(jié)構(gòu)指令。 指令操作碼分配方案以下：第2頁(yè)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1001，0110，0011，100

2、1，0110，0100， 冗余編碼1001，1111，1111， 可用來(lái)擴(kuò)充一、零地址指令條數(shù)1010， 冗余編碼1111， 可用來(lái)擴(kuò)充三、二、一、零地址指令條數(shù) 指令操作碼分配方案第3頁(yè) 7. 設(shè)指令字長(zhǎng)為16位，采取擴(kuò)展操作碼技術(shù)，每個(gè)操作數(shù)地址為6位。假如定義了13條二地址指令，試問(wèn)還可安排多少條一地址指令？ 解：二地址指令格式以下： 4 6 6 OP A1 A2 設(shè)二地址指令格式為該指令系統(tǒng)基本格式，4位操作碼共有16種編碼，其中13種用來(lái)定義二地址指令，還剩3種可用作擴(kuò)展標(biāo)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條第4頁(yè) 8. 某機(jī)指令字長(zhǎng)

3、16位，每個(gè)操作數(shù)地址碼為6位，設(shè)操作碼長(zhǎng)度固定，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個(gè)？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾個(gè)？ 解：1）若采取定長(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式以下： 4 6 6 OP A1 A2 此時(shí)，不論指令中有幾個(gè)地址，指令格式都不變。第5頁(yè) 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(shí)，二地址指令最多有： Kmax=16-1-1=14種 2）若采取變長(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式仍如1）所表示，但操作碼長(zhǎng)度可隨地址碼個(gè)數(shù)而變。此時(shí)， K= 24 -（N/26 + M/21

4、2 ）； （N/26 + M/212 向上取整） 當(dāng)（N/26 + M/212 ） 1時(shí)，K最大，則二地址指令最多有： Kmax=16-1=15種（只留一個(gè)編碼作擴(kuò)展標(biāo)志用。）第6頁(yè) 討論：此時(shí)，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(shí)（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)首先依據(jù)題意畫出指令基本格式。第7頁(yè) 10. 試比較基址尋址和變址尋址。 解：比較以下： 1）都可有效地?cái)U(kuò)大指令尋址范圍。 2）

5、基址尋址時(shí)，基準(zhǔn)地址由基址存放器給出，地址改變反應(yīng)在位移量A取值上；變址尋址時(shí)，基準(zhǔn)地址由A給出，地址改變反應(yīng)在變址值自動(dòng)修改上，變址值由變址存放器給出。 3）基址存放器內(nèi)容通常由系統(tǒng)程序設(shè)定，變址存放器內(nèi)容通常由用戶設(shè)定。 4）基址尋址適合用于程序動(dòng)態(tài)重定位，變址尋址適合用于數(shù)組或字符串處理，適用場(chǎng)所不一樣。第8頁(yè) 11. 畫出先變址再間址及先間址再變址尋址過(guò)程示意圖。 解：1）先變址再間址尋址過(guò)程簡(jiǎn)單示意以下： EA=(IX)+A， (IX)+1IXIXOP M A+1ALUIREA操作數(shù)主存IX：變址存放器，既可是專用存放器，也可是通用存放器之一。設(shè)一重間接第9頁(yè)2）先間址再變址尋址過(guò)程

6、簡(jiǎn)單示意以下： EA=(IX)+(A)， (IX)+1IXIXOP M A+1ALUIREA操作數(shù)主存IX：變址存放器，既可是專用存放器，也可是通用存放器之一。設(shè)一重間接第10頁(yè) 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(biāo)明EA（有效地址）位置。第11頁(yè) 12. 畫出“SUB R1”指令對(duì)操作數(shù)尋址及減法過(guò)程流程圖。設(shè)被減數(shù)和結(jié)果存于ACC中，表示間接尋址，R1存放器內(nèi)容為2074H。 解： SUB R1指令尋址及減法過(guò)程流程圖：取指令（省）尋址操作：存放器間址EA=(R1) =2074HEA MAR，讀 M(EA) MDR(ACC)-(MDR) ACCAA（公操作）

7、注：在沒(méi)有指定數(shù)據(jù)通路情況下，此流程只是一個(gè)粗略示意。第12頁(yè) 13. 畫出執(zhí)行“ADD *-5”指令（*為相對(duì)尋址特征）信息流程圖。設(shè)另一個(gè)操作數(shù)和結(jié)果存于ACC中，并假設(shè)（PC）=4000H。 解：因?yàn)楸绢}未指定數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，所以只能大約地排一下信息流程圖，而且流程圖中突出尋址過(guò)程實(shí)現(xiàn)。 ADD *-5指令信息流程圖以下：取指令（省）尋址計(jì)算：EA=(PC)-5=4000H+FFFBH=3FFBHEA MAR，讀 M(EA) MDR(ACC)+(MDR) ACCAA（公操作）第13頁(yè) 14. 設(shè)相對(duì)尋址轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是操作碼，第二個(gè)字節(jié)是相對(duì)位移量，用補(bǔ)碼表示。假設(shè)當(dāng)前轉(zhuǎn)移

8、指令第一字節(jié)所在地址為H，且CPU每取出一個(gè)字節(jié)便自動(dòng)完成（PC）+1PC操作。試問(wèn)當(dāng)執(zhí)行“JMP *+8”和“JMP *-9”指令時(shí)，轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)內(nèi)容各為多少？ 解：據(jù)題意，相對(duì)尋址轉(zhuǎn)移指令格式以下：OPAHHH第14頁(yè) 當(dāng)執(zhí)行JMP指令時(shí)，指令第二字節(jié)內(nèi)容不變，PC內(nèi)容變?yōu)镠。此時(shí)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 = H+0008H = 200AH EA2= (PC) 9 =H+FFF7H = 1FF9H第15頁(yè) 16. 某機(jī)主存容量為4M16位，且

9、存放字長(zhǎng)等于指令字長(zhǎng)，若該機(jī)指令系統(tǒng)可完成108種操作，操作碼位數(shù)固定，且含有直接、間接、變址、基址、相對(duì)、馬上等六種尋址方式，試回答以下問(wèn)題。 （1）畫出一地址指令格式并指出各字段作用。 （2）該指令直接尋址最大范圍。 （3）一次間接尋址和屢次間接尋址尋址范圍。 （4）馬上數(shù)范圍（十進(jìn)制表示）。第16頁(yè) （5）相對(duì)尋址位移量（十進(jìn)制表示）。 （6）上述六種尋址方式指令中哪一個(gè)執(zhí)行時(shí)間最短，哪一個(gè)最長(zhǎng)，為何？哪一個(gè)便于程序浮動(dòng)，哪一個(gè)最適合處理數(shù)組問(wèn)題？ （7）怎樣修改指令格式，使指令尋址范圍可擴(kuò)大到4M？ （8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存任一位置，可采取什么辦法？簡(jiǎn)明說(shuō)明之。第17頁(yè) 解：

10、 （1）單字長(zhǎng)一地址指令格式： 7 3 6 OP M A 各字段作用： OP操作碼字段，提供最少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，給出尋址所需形式地址。第18頁(yè) （2）A為6位，該指令直接尋址最大范圍為26=64字； （3）一次間址尋址范圍為216=64K字； 屢次間址尋址范圍為215=32K字； （4）馬上數(shù)范圍：若采取補(bǔ)碼表示為1FH20H；十進(jìn)制表示為31 -32；無(wú)符號(hào)數(shù)為063； （5）相對(duì)尋址位移量范圍在采取補(bǔ)碼表示時(shí)同馬上數(shù)范圍，為31 -32；第19頁(yè) （6）六種尋址方式中，馬上尋址指令執(zhí)行時(shí)間最短，因?yàn)榇藭r(shí)不需尋址； 間接尋址指令執(zhí)行

11、時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)閷ぶ凡僮餍柙L存一次到屢次； 相對(duì)尋址便于程序浮動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)操作數(shù)位置可隨程序存放區(qū)變動(dòng)而改變，總是相對(duì)于程序一段距離； 變址尋址最適合處理數(shù)組問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)變址值可自動(dòng)修改而不需要修改程序。第20頁(yè) （7）為使指令尋址范圍可擴(kuò)大到4M，需要有效地址22位，此時(shí)可將單字長(zhǎng)一地址指令格式改為雙字長(zhǎng)，以下列圖示： 7 3 6 OP M AA 16 圖中，指令第一字保持原來(lái)格式不變，形式地址A擴(kuò)展到第2個(gè)字。這么，直接尋址時(shí)，EA=A=16+6=22位，恰好可訪問(wèn)4M地址空間。因?yàn)锳擴(kuò)展，變址、基址、相對(duì)、馬上數(shù)等尋址方式也擴(kuò)展到22位。第21頁(yè) （8）如使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存任一位

12、置，可采取上述雙字長(zhǎng)一地址指令，經(jīng)過(guò)選取適當(dāng)尋址方式完成。（如選取直接尋址就可轉(zhuǎn)移到主存任一位置，但選取相對(duì)尋址則只能在2M范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移。） 除此之外，（7）、（8）兩題也可經(jīng)過(guò)段尋址方式到達(dá)擴(kuò)大尋址空間目標(biāo)（此時(shí)不需修改指令格式）?？傊?，不論采取何種方式，最終得到實(shí)際地址應(yīng)是22位。第22頁(yè)方案二： （7）假如仍采取單字長(zhǎng)指令（16位）格式，為使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M，可經(jīng)過(guò)段尋址方案實(shí)現(xiàn)。安排以下： 硬件設(shè)段存放器DS（16位），用來(lái)存放段地址。在完成指令尋址方式所要求尋址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬件自動(dòng)完成段尋址，最終得22位物理地址。 物理地址=（DS） 26 + EA 注

13、：段尋址方式由硬件隱含實(shí)現(xiàn)。在編程指定尋址過(guò)程完成、EA產(chǎn)生之后由硬件自動(dòng)完成，對(duì)用戶是透明。第23頁(yè)方案三： （7）在采取單字長(zhǎng)指令（16位）格式時(shí)，還可經(jīng)過(guò)頁(yè)面尋址方案使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M。安排以下： 硬件設(shè)頁(yè)面存放器PR（16位），用來(lái)存放頁(yè)面地址。指令尋址方式中增設(shè)頁(yè)面尋址。當(dāng)需要使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M時(shí)，編程選擇頁(yè)面尋址方式，則： EA =（PR）A（有效地址=頁(yè)面地址“拼接”6位形式地址） 這么得到22位有效地址。 第24頁(yè) 經(jīng)過(guò)基址尋址與段尋址取得實(shí)際地址區(qū)分： 1）基址尋址基地址普通比較長(zhǎng)（存放器地址位數(shù)），位移量比較短（=形式地址位數(shù)），相加后得到有效地址長(zhǎng)度=基地址長(zhǎng)

14、度。此時(shí)主存不分段。 實(shí)際地址=有效地址=基地址+位移量 段尋址是基址尋址一個(gè)變種，當(dāng)基地址短于存放地址時(shí)，基址尋址就變成了段尋址，基地址就叫做段地址，此時(shí)主存分段。 實(shí)際地址=段地址偏移量+段內(nèi)位移量（有效地址）第25頁(yè) 2）基址尋址普通在機(jī)器字長(zhǎng)存放地址長(zhǎng)度機(jī)器中，可直接經(jīng)過(guò)尋址計(jì)算取得實(shí)際地址。 在機(jī)器字長(zhǎng)存放地址長(zhǎng)度機(jī)器中，因?yàn)镃PU內(nèi)部數(shù)據(jù)通路限制，編程指定任何一個(gè)尋址計(jì)算得到有效地址長(zhǎng)度都等于機(jī)器字長(zhǎng)，為取得更長(zhǎng)地址字，硬件自動(dòng)經(jīng)過(guò)段尋址計(jì)算出存放器實(shí)際地址。此時(shí)除ALU之外，硬件還要增設(shè)專用地址加法器。 相關(guān)問(wèn)題： * 普通：機(jī)器字長(zhǎng)=存放字長(zhǎng)； * CPU中全部存放器（包含基址

15、存放器）位數(shù)=機(jī)器字長(zhǎng)；第26頁(yè) * 通常：指令字長(zhǎng)不一定等于機(jī)器字長(zhǎng)。早期小型機(jī)因?yàn)樽珠L(zhǎng)較短，指令常以機(jī)器字長(zhǎng)為單位改變（幾字長(zhǎng)指令，如PDP-11機(jī)），當(dāng)前以字節(jié)長(zhǎng)為單位改變（幾字節(jié)指令）較多。習(xí)題中指令字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)假設(shè)只是為簡(jiǎn)單起見； * 當(dāng)設(shè)指令字長(zhǎng)=存放字長(zhǎng)（=機(jī)器字長(zhǎng)）時(shí)，如用馬上尋址，因?yàn)轳R上數(shù)由形式地址直接給出，而形式地址位數(shù)必定不足一個(gè)字長(zhǎng)，所以馬上尋址非常適合用于編程給出短常數(shù)場(chǎng)所。 提醒：尋址方式正確選擇與編程技巧相關(guān)。第27頁(yè) 17. 舉例說(shuō)明哪幾個(gè)尋址方式在指令執(zhí)行階段不訪問(wèn)存放器？哪幾個(gè)尋址方式在指令執(zhí)行階段只需訪問(wèn)一次存放器？完成什么樣指令，包含取指令在內(nèi)共訪問(wèn)

16、存放器4次？ 解：舉比如下： 1）一地址指令在執(zhí)行階段不訪存尋址方式有：存放器尋址、立即尋址。 2）一地址指令在執(zhí)行階段只訪存一次尋址方式有：存放器間接尋址、直接尋址、基址尋址、變址尋址、相對(duì)尋址、頁(yè)面尋址。第28頁(yè) 3）包含取指在內(nèi)共訪存四次指令有：二重間址一地址指令；一重間址二地址指令，當(dāng)另一操作數(shù)采取直接、基址、變址、相對(duì)、頁(yè)面、存放器間接尋址時(shí)。第29頁(yè) 19. CPU內(nèi)有32個(gè)32位通用存放器，設(shè)計(jì)一個(gè)能容納64種操作指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長(zhǎng)等于機(jī)器字長(zhǎng)，試回答以下問(wèn)題。 （1）假如主存可直接或間接尋址，采取“存放器存放器”型指令，能直接尋址最大存放空間是多少？畫出指令格式并說(shuō)明各字段含義。 （2）在滿足（1）前提下，假如采取通用存放器作基址存放器，則上述“存放器存放器”型指令指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問(wèn)多大存放空間？第30頁(yè) 解： （1）如采取RS型指令，則此指令一定是二地址以上地址格式，指令