計(jì)算機(jī)組成原理第七、八章答案

指令系統(tǒng)第七章1.什么叫機(jī)器指令？什么叫指令系統(tǒng)？為什么說指令系統(tǒng)與機(jī)器的主要功能以及與硬件結(jié)構(gòu)之間存在著密切的關(guān)系？答：機(jī)器指令：把每一條機(jī)器語言的語句叫機(jī)器指令。指令系統(tǒng)：將全部機(jī)器指令的集合叫做機(jī)器的指令系統(tǒng)機(jī)器的指令系統(tǒng)集中反映了機(jī)器的功能。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者主要研究如何確定機(jī)器的指令系統(tǒng)，如何用硬件電路，芯片，設(shè)備來實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令系統(tǒng)的功能，計(jì)算機(jī)的使用者則是依據(jù)機(jī)器提供的指令系統(tǒng)，使用匯編語言來編制各種程序。計(jì)算機(jī)使用者根據(jù)機(jī)器指令系統(tǒng)所描述的機(jī)器功能，能很清楚地了解計(jì)算機(jī)內(nèi)部寄存器-存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)。以及計(jì)算機(jī)能直接支持的各種數(shù)據(jù)類型。1/31/202323.什么是指令字長(zhǎng)、機(jī)器字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)？答：指令字長(zhǎng)即指機(jī)器指令中含二進(jìn)制代碼的總位數(shù)。指令字長(zhǎng)取決于從操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度和操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)。不同的指令的字長(zhǎng)是不同的。存儲(chǔ)字長(zhǎng)指一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)二進(jìn)制代碼的位數(shù)。機(jī)器字長(zhǎng)指CPU一次能處理中數(shù)據(jù)的位數(shù)你，通常與CPU中寄存器的位數(shù)有關(guān)。三者位數(shù)可以相等，也可以不等。1/31/202334.零地址指令的操作數(shù)來自哪里？一地址指令的另一個(gè)操作數(shù)地址通?？刹扇∈裁磳ぶ贩绞将@得？各舉一例說明。答：零地址指令的操作數(shù)來自堆棧的棧頂和次棧頂。一地址指令的另一個(gè)操作數(shù)通常可采用隱含尋址方式獲得，即將另一操作數(shù)預(yù)先存放在累加器ACC中。1/31/20234

6.某指令系統(tǒng)字長(zhǎng)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：

4444OPA1A2A3

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(kuò)展操作碼技術(shù)，設(shè)計(jì)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OP

0000，

……，

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，

……，……，……，

冗余編碼

1001，1111，1111，可用來擴(kuò)充一、零地址指令條數(shù)

1010，

……，

冗余編碼

1111，可用來擴(kuò)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(zhǎng)為16位，采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，每個(gè)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：

466OPA1A2

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(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)

=3×26=192條

8.某機(jī)指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼為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(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式如下：

466OPA1A2

此時(shí)，無論指令中有幾個(gè)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(shí)，二地址指令最多有：

Kmax=16-1-1=14種

2）若采用變長(zhǎng)操作碼時(shí)，二地址指令格式仍如1）所示，但操作碼長(zhǎng)度可隨地址碼的個(gè)數(shù)而變。此時(shí)，

M=((24-K)*26-N)*26

，即

K=24-(N/26+M/212)；

（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（只留一種編碼作擴(kuò)展標(biāo)志用。）

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)首先根據(jù)題意畫出指令基本格式。9.試比較間接尋址和寄存器間接尋址。間接尋址和寄存器間址都可擴(kuò)大尋址范圍，它們形成有效地址的方式類似：間接尋址需通過訪存（若是多次間址還需多次訪存）得到有效地址；寄存器間接尋址有效地址不是存放在存儲(chǔ)單元中，而是存放于寄存器中，故比間接尋址少訪存一次。1/31/202311

10.試比較基址尋址和變址尋址。

解：比較如下：

1）都可有效地?cái)U(kuò)大指令尋址范圍。

2）基址尋址時(shí)，基準(zhǔn)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(shí)，基準(zhǔn)地址由A給出，地址的改變反映在變址值的自動(dòng)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(dòng)態(tài)重定位，變址尋址適用于數(shù)組或字符串處理，適用場(chǎng)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(jiǎn)單示意如下：

EA=[(IX)+A]，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作數(shù)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(jiǎn)單示意如下：

EA=(IX)+(A)，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作數(shù)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

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）的位置。12.畫出“SUB@R1”指令對(duì)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（可省）尋址操作：寄存器間址EA=(R1)=2074HEAMAR，讀

M(EA)MDR(ACC)-(MDR)ACCAA（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(gè)粗略的示意。13.畫出執(zhí)行“ADD*-5”指令（*為相對(duì)尋址特征）的信息流程圖。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：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(shí)現(xiàn)。

ADD*-5指令信息流程圖如下：取指令（可?。ぶ酚?jì)算：EA=(PC)-5=4000H+FFFBH=3FFBHEAMAR，讀

M(EA)MDR(ACC)+(MDR)ACCAA（公操作）

14.設(shè)相對(duì)尋址的轉(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)移指令第一字節(jié)所在的地址為2000H，且CPU每取出一個(gè)字節(jié)便自動(dòng)完成（PC）+1PC的操作。試問當(dāng)執(zhí)行“JMP*+8”和“JMP*-9”指令時(shí)，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(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令格式如下：OPA2000H2001H2002H

當(dāng)執(zhí)行JMP指令時(shí)，指令第二字節(jié)的內(nèi)容不變，PC的內(nèi)容變?yōu)?002H。此時(shí)轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)內(nèi)容各為：

A1=+8=00001000=08H

A2=-9=11110111=F7H

其有效地址各為：

EA1=(PC)+8=2002H+0008H

=200AH

EA2=(PC)–9=2002H+FFF7H

=1FF9H16.某機(jī)主存容量為4M16位，且存儲(chǔ)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，且具有直接、間接、變址、基址、相對(duì)、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(jìn)制表示）。（5）相對(duì)尋址的位移量（十進(jìn)制表示）。

（6）上述六種尋址方式的指令中哪一種執(zhí)行時(shí)間最短，哪一種最長(zhǎng)，為什么？哪一種便于程序浮動(dòng)，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(kuò)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(jiǎn)要說明之。解：（1）單字長(zhǎng)一地址指令格式：

736OPMA

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(bǔ)碼表示為1FH~20H；十進(jìn)制表示為31~-32；無符號(hào)數(shù)為0~63；

（5）相對(duì)尋址的位移量范圍在采用補(bǔ)碼表示時(shí)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(shí)間最短，因?yàn)榇藭r(shí)不需尋址；

間接尋址指令執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)閷ぶ凡僮餍柙L存一次到多次；

相對(duì)尋址便于程序浮動(dòng)，因?yàn)榇藭r(shí)操作數(shù)位置可隨程序存儲(chǔ)區(qū)的變動(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)組問題，因?yàn)榇藭r(shí)變址值可自動(dòng)修改而不需要修改程序。

（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)一地址指令的格式改為雙字長(zhǎng)，如下圖示：

736OPMAA16

圖中，指令的第一字保持原來格式不變，形式地址A擴(kuò)展到第2個(gè)字。這樣，直接尋址時(shí)，EA=A=16+6=22位，正好可訪問4M地址空間。由于A的擴(kuò)展，變址、基址、相對(duì)、立即數(shù)等尋址方式也擴(kuò)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(zhǎng)一地址指令，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(duì)尋址則只能在±2M范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移。）

除此之外，（7）、（8）兩題也可通過段尋址方式達(dá)到擴(kuò)大尋址空間的目的（此時(shí)不需修改指令格式）?？傊徽摬扇『畏N方式，最終得到的實(shí)際地址應(yīng)是22位。方案二：

（7）如果仍采用單字長(zhǎng)指令（16位）格式，為使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M，可通過段尋址方案實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)。在編程指定的尋址過程完成、EA產(chǎn)生之后由硬件自動(dòng)完成，對(duì)用戶是透明的。方案三：

（7）在采用單字長(zhǎng)指令（16位）格式時(shí)，還可通過頁面尋址方案使指令尋址范圍擴(kuò)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(kuò)大到4M時(shí)，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(shí)際地址的區(qū)別：

1）基址尋址的基地址一般比較長(zhǎng)（存儲(chǔ)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(zhǎng)度=基地址長(zhǎng)度。此時(shí)主存不分段。

實(shí)際地址=有效地址=基地址+位移量

段尋址是基址尋址的一種變種，當(dāng)基地址短于存儲(chǔ)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）2）基址尋址一般在機(jī)器字長(zhǎng)存儲(chǔ)地址長(zhǎng)度的機(jī)器中，可直接通過尋址計(jì)算獲得實(shí)際地址。

在機(jī)器字長(zhǎng)存儲(chǔ)地址長(zhǎng)度的機(jī)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(jì)算得到的有效地址長(zhǎng)度都等于機(jī)器字長(zhǎng)，為獲得更長(zhǎng)的地址字，硬件自動(dòng)通過段尋址計(jì)算出存儲(chǔ)器實(shí)際地址。此時(shí)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(jī)器字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)；

*

CPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位數(shù)=機(jī)器字長(zhǎng)；

*

通常：指令字長(zhǎng)不一定等于機(jī)器字長(zhǎng)。早期的小型機(jī)由于字長(zhǎng)較短，指令常以機(jī)器字長(zhǎng)為單位變化（幾字長(zhǎng)指令，如PDP-11機(jī)），目前以字節(jié)長(zhǎng)為單位變化（幾字節(jié)指令）的較多。習(xí)題中指令字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)的假設(shè)只是為簡(jiǎn)單起見；

*當(dāng)設(shè)指令字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)（=機(jī)器字長(zhǎng)）時(shí)，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(gè)字長(zhǎng)，因此立即尋址非常適用于編程給出短常數(shù)的場(chǎng)合。

提示：尋址方式的正確選擇與編程技巧有關(guān)。19.CPU內(nèi)有32個(gè)32位的通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長(zhǎng)等于機(jī)器字長(zhǎng)，試回答以下問題。

（1）如果主存可直接或間接尋址，采用“寄存器—存儲(chǔ)器”型指令，能直接尋址的最大存儲(chǔ)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(chǔ)器”型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲(chǔ)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，指令格式如下：

65120OPRiIA

操作碼寄存器號(hào)間接形式地址標(biāo)志

直接尋址的最大空間=220=1M字此指令格式的設(shè)計(jì)有較大的發(fā)揮余地，為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，在此采用緊貼題意的答題方式，即只按題意要求的因素設(shè)計(jì)，不考慮擴(kuò)展因素。

（2）如采用基址尋址，則指令格式中應(yīng)給出基址寄存器號(hào)，以指定哪一個(gè)通用寄存器用作基址寄存器。指令格式變?yōu)椋?/p>

6511514

OPRiIBBRiA

其中：I、B可?。˙為基址尋址標(biāo)志），BRi為基址寄存器號(hào)?；穼ぶ窌r(shí)：

尋址的最大空間=232=4G字

其尋址范圍僅與基址位數(shù)有關(guān)，與形式地址位數(shù)無關(guān)。20.什么是RISC？簡(jiǎn)述它的主要特點(diǎn)。即精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)特點(diǎn)：選取使用頻度高的簡(jiǎn)單指令；指令長(zhǎng)度固定，格式少，尋址方式少；只有存數(shù)/取數(shù)指令訪存，其他指令不訪存；CPU內(nèi)有多個(gè)通用寄存器；采用流水線技術(shù)，大部分指令一個(gè)時(shí)鐘完成；控制器采用組合邏輯實(shí)現(xiàn)；采用優(yōu)化的編譯程序。1/31/20233521.試比較RISC和CISC。1.RISC更能充分利用VLSI芯片的面積2.

RISC更能提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度指令數(shù)、指令格式、尋址方式少，通用寄存器多，采用組合邏輯，便于實(shí)現(xiàn)指令流水3.RISC便于設(shè)計(jì)，可降低成本，提高可靠性4.RISC

有效支持高級(jí)語言程序

5.

RISC不易

實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)兼容

1/31/202336某計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令字長(zhǎng)為22位，具有無操作數(shù)、單操作數(shù)、雙操作數(shù)三種指令格式，每個(gè)操作數(shù)地址為7位，當(dāng)雙操作數(shù)指令條數(shù)取最大值，而且單操作數(shù)指令條數(shù)也取最大值時(shí)，請(qǐng)問這三種指令最多可能擁有的指令條數(shù)總共是多少?255+127+1281/31/202337CPU的結(jié)構(gòu)和功能第八章2.什么是指令周期？指令周期是否有一個(gè)固定值？為什么？

解：指令周期是指一條指令從開始取指令直到指令執(zhí)行完這段時(shí)間。

由于計(jì)算機(jī)中各種指令執(zhí)行所需的時(shí)間差異很大，因此為了提高CPU運(yùn)行效率，即使在同步控制的機(jī)器中，不同指令的指令周期長(zhǎng)度都是不一致的，也就是說指令周期對(duì)于不同的指令來說不是一個(gè)固定值。

討論：指令周期長(zhǎng)度不一致的根本原因在于設(shè)計(jì)者，為了提高CPU運(yùn)行效率而這樣安排的，與指令功能不同及指令實(shí)際執(zhí)行時(shí)間不同沒有什么必然關(guān)系。4.設(shè)CPU內(nèi)有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU，要求：

（1）畫出完成間接尋址的取數(shù)指令LDA@X（將主存某地址單元X的內(nèi)容取至AC中）的數(shù)據(jù)流（從取指令開始）。

（2）畫出中斷周期的數(shù)據(jù)流。

解：CPU中的數(shù)據(jù)流向與所采用的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，不同的數(shù)據(jù)通路中的數(shù)據(jù)流是不一樣的。常用的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)方式有直接連線、單總線、雙總線、三總線等形式，目前大多采用總線結(jié)構(gòu)，直接連線方式僅適用于結(jié)構(gòu)特別簡(jiǎn)單的機(jī)器中。R/-W

為簡(jiǎn)單起見，本題采用單總線將題意所給部件連接起來，框圖如下：中斷系統(tǒng)PCMARMDRSPACZCUIRMALU單總線（BUS）

微命令序列（1）假設(shè)為一重間址，在上述數(shù)據(jù)通路中，完成間接尋址的取數(shù)指令LDA@X的數(shù)據(jù)流如下頁：LDA@X指令周期流程圖：

說明

送指令地址CU向存儲(chǔ)器發(fā)讀令（讀出指令）指向下一指令地址取出指令指令譯碼OP=？PCBUSMAR存儲(chǔ)器讀（CU(R)M）PC+1PCMDRBUSIRLDA

LDAIR（X）MAR存儲(chǔ)器讀（CU(R)M）MDRBUSACMDRBUSMAR存儲(chǔ)器讀（CU(R)M）@=1?Y（間址）N

說明形式地址X送MAR間接標(biāo)志判斷，本題為@=1CU發(fā)讀令(讀EA)有效地址送MAR

CU發(fā)讀令(讀數(shù)據(jù))數(shù)據(jù)放入AC指令末的公操作直接尋址（2）中斷周期流程圖如下：

說明

關(guān)中斷（0EINT）SPBUSMARSP+1SPPCBUSMDR存儲(chǔ)器寫（CU(-W)M）A堆棧棧頂?shù)刂匪蚆AR修改堆棧指針斷點(diǎn)送內(nèi)存進(jìn)棧

A說明SPBUSMARSP+1SP向量地址BUSPCPSWMDR存儲(chǔ)器寫（CU(-W)M）END棧頂?shù)刂匪蚆AR修改棧指針程序狀態(tài)字送內(nèi)存進(jìn)棧轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序入口中斷周期結(jié)束

討論：解這道題有兩個(gè)要素，首先要根據(jù)所給部件設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)通路，既確定信息流動(dòng)的載體。其次選擇好描述數(shù)據(jù)流的方法，無論采用什么樣的表達(dá)方式，其關(guān)鍵都要能清楚地反映數(shù)據(jù)在通路上流動(dòng)的順序，既強(qiáng)調(diào)一個(gè)“流”字。較好的表達(dá)方式是流程圖的形式。5、中斷周期前是什么階段？中斷周期后又是什么階段？在中斷周期CPU應(yīng)完成什么操作？

答：從CPU機(jī)器周期的時(shí)序?qū)哟蝸砜矗袛嘀芷谇笆侵噶畹膱?zhí)行階段。中斷周期后是取指令階段。在中斷周期CPU應(yīng)完成關(guān)中斷、保存斷點(diǎn)和轉(zhuǎn)中斷服務(wù)程序入口三個(gè)操作。16.計(jì)算機(jī)為了管理中斷，在硬件上通常有哪些設(shè)置？各有何作用？對(duì)指令系統(tǒng)有何考慮？

解：計(jì)算機(jī)為了管理中斷，在硬件上設(shè)有專門處理中斷的機(jī)構(gòu)——中斷系統(tǒng)。它通常包括：中斷請(qǐng)求寄存器、中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)器、向量編碼器、中斷允許觸發(fā)器（EINT）、中斷標(biāo)記觸發(fā)器（INT）、中斷屏蔽觸發(fā)器（寄存器）等。功能如下：

中斷請(qǐng)求寄存器——對(duì)中斷源發(fā)來的一過性中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行登記；

中斷優(yōu)先級(jí)排隊(duì)器——對(duì)同時(shí)提出的多個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行裁決，選出一個(gè)最緊迫的進(jìn)行響應(yīng)；

向量編碼器——向量中斷時(shí)，用來產(chǎn)生向量地址；

中斷允許觸發(fā)器（EINT）——CPU中的中斷總開關(guān)，完成開、關(guān)中斷狀態(tài)的設(shè)置；

中斷標(biāo)記觸發(fā)器（INT）——用來建立中斷周期狀態(tài)。INT=1，表示進(jìn)入中斷周期，即開始執(zhí)行中斷隱指令；

中斷屏蔽觸發(fā)器——對(duì)于可屏蔽的中斷源進(jìn)行開、關(guān)中斷操作，可視為各中斷源的中斷分開關(guān)；

采用程序中斷技術(shù)時(shí)，指令系統(tǒng)中往往有相關(guān)指令支持。常見的指令有：開中斷、關(guān)中斷、中斷返回等。17.在中斷系統(tǒng)中，INTR、INT、EINT這三個(gè)觸發(fā)器各有何作用？

解：INTR——中斷請(qǐng)求觸發(fā)器，用來登記中斷源發(fā)出的隨機(jī)性中斷請(qǐng)求信號(hào)，以便為CPU查詢中斷及中斷排隊(duì)判優(yōu)線路提供穩(wěn)定的中斷請(qǐng)求信號(hào)；

EINT——中斷允許觸發(fā)器，CPU中的中斷總開關(guān)。當(dāng)EINT=1時(shí)，表示允許中斷（開中斷），當(dāng)EINT=0時(shí)，表示禁止中斷（關(guān)中斷）。其狀態(tài)可由開、關(guān)中斷等指令設(shè)置；

INT——中斷標(biāo)記觸發(fā)器，控制器時(shí)序系統(tǒng)中周期狀態(tài)分配電路的一部分，表示中斷周期標(biāo)記。當(dāng)INT=1時(shí)，進(jìn)入中斷周期，執(zhí)行中斷隱指令的操作。討論：

回答時(shí)首先應(yīng)給出該觸發(fā)器的中文名稱，然后說明其主要作用。

當(dāng)進(jìn)入中斷周期時(shí)，INT=1；

（INT=1時(shí)，進(jìn)入中斷周期）

INT與EINT配合使用以實(shí)現(xiàn)關(guān)中斷功能，即INT=1，反相后使EINT=0；

（關(guān)中斷并不是INT的主要功能，進(jìn)入中斷周期后要執(zhí)行中斷隱指令的全部三個(gè)功能）

INT表示自愿中斷，完成系統(tǒng)調(diào)用；

（盡管INT觸發(fā)器的英文縮寫與INT指令助記符完全相同，但它們一個(gè)是硬件設(shè)置，一個(gè)是軟中斷指令，其作用完全不同）INT標(biāo)記目前是否正在運(yùn)行中斷程序；

（INT標(biāo)記在運(yùn)行中斷程序時(shí)已不存在）

INT表示處于中斷狀態(tài)中；

（INT并不是在整個(gè)中斷過程中都存在）

INT判斷中斷過程中是否接受其它中斷請(qǐng)求，INT=0時(shí)，開中斷，允許中斷嵌套；

（INT標(biāo)記與中斷嵌套技術(shù)沒有任何關(guān)系。它不能表示出中斷過程中是否接受其它中斷請(qǐng)求，INT=0也不表示開中斷）

EINT判斷CPU是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求；

（CPU根據(jù)EINT狀態(tài)決定是否響應(yīng)中斷請(qǐng)求）

當(dāng)CPU響應(yīng)中斷時(shí)，EINT置1；

（當(dāng)EINT=1時(shí)，允許CPU響應(yīng)中斷）

EINT確保CPU響應(yīng)中斷后，不受新的中斷干擾；

（CPU響應(yīng)中斷在先，進(jìn)入中斷周期后才使EINT=0，僅在單重中斷時(shí)，整個(gè)中斷過程保持EINT=0，不接受新的中斷請(qǐng)求）

EINT表示中斷隱指令，INT起關(guān)中斷作用；

（把EINT和INT的作用搞反了）

INTR=1，判斷哪個(gè)中斷源有請(qǐng)求；

（INTR對(duì)中斷源的請(qǐng)求進(jìn)行登記，當(dāng)INTR=1時(shí)，表示有請(qǐng)求）24.現(xiàn)有A、B、C、D四個(gè)中斷源，其優(yōu)先級(jí)由高向低按A→B→C→D順序排列。若中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為20μs，請(qǐng)根據(jù)下圖所示時(shí)間軸給出的中斷源請(qǐng)求中斷的時(shí)刻，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。

解：CPU執(zhí)行程序的軌跡圖如下：

A服務(wù)

B服務(wù)

C服務(wù)

D服務(wù)現(xiàn)行程序

0102030405060708090100110120130140150t(μs)

B與C請(qǐng)求D請(qǐng)求B請(qǐng)求A請(qǐng)求這是一個(gè)多重中斷的程序運(yùn)行軌跡，圖中忽略了中斷響應(yīng)時(shí)間。25.設(shè)某機(jī)有五個(gè)中斷源L0、L1、L2、L3、L4，按中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序由高向低排序?yàn)長(zhǎng)0L1L2

L3L4，現(xiàn)要求中斷處理次序改為L(zhǎng)1L4L2

L0L3，根據(jù)下面的格式，寫出各中斷源的屏蔽字。

解：各中斷源屏蔽狀態(tài)見下表：

中斷源

屏蔽字

01234L0

L1

L2

L3L410010

11111

10110

0001010111

表中：設(shè)屏蔽位=1表示屏蔽，屏蔽位=0表示中斷開放。

為了使所有中斷都能得到及時(shí)響應(yīng)，現(xiàn)行程序的中斷屏蔽字一般設(shè)為全開放（全0）狀態(tài)。

討論：按照修改過的優(yōu)先次序，當(dāng)五個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)同時(shí)到來時(shí)，CPU中斷處理過程如下圖：

圖中括號(hào)內(nèi)為各程序的屏蔽碼。

注意：中斷屏蔽碼的判優(yōu)作用體現(xiàn)在對(duì)低級(jí)中斷請(qǐng)求的屏蔽上，對(duì)于多個(gè)同時(shí)到來的高級(jí)中斷請(qǐng)求信號(hào)之間則只有開放作用，沒有判優(yōu)作用。此時(shí)還需依賴硬件排隊(duì)線路完成進(jìn)一步的判優(yōu)?，F(xiàn)行程序（00000）五級(jí)中斷請(qǐng)求同時(shí)到來。L0中斷服務(wù)（10010）保存現(xiàn)場(chǎng)開中斷L1中斷服務(wù)（11111）執(zhí)行一條指令中斷返回L2中斷服務(wù)（10110）中斷返回L4中斷服務(wù)

（10111）中斷返回關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行一條指令L3中斷服務(wù)（00010）中斷返回中斷返回中斷處理過程示意圖（畫法二：時(shí)空?qǐng)D表示）

L4服務(wù)

L3服務(wù)

L2服務(wù)

L1服務(wù)

L0服務(wù)現(xiàn)行程序L0、L1

、L2

、L3

、L4

同時(shí)請(qǐng)求t程序26.設(shè)某機(jī)配有A、B、C三臺(tái)設(shè)備，其優(yōu)先級(jí)按A→B→C降序排列，為改變中斷處理次序，它們的中斷屏蔽字設(shè)置如下：

設(shè)備屏蔽字

A111

B010

C011

請(qǐng)按下圖所示時(shí)間軸給出的設(shè)備請(qǐng)求中斷的時(shí)刻，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。設(shè)A、B、C中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間均為20s。解：CPU執(zhí)行程序的軌跡圖如下：

主要注意問題：1）軌跡的連續(xù)性；2）程序的轉(zhuǎn)出、返回軌跡及時(shí)刻；3）現(xiàn)行程序在坐標(biāo)系中的位置。