江西財(cái)經(jīng)大學(xué)第3章 指令系統(tǒng)習(xí)題講解

計(jì)算機(jī)組成原理朱華貴2017年09月22日計(jì)算機(jī)組成原理第3章指令系統(tǒng)

---習(xí)題課朱華貴2017年09月22日計(jì)算機(jī)組成原理3-１、指令長(zhǎng)度和機(jī)器字長(zhǎng)有什么關(guān)系？半字長(zhǎng)指令、單字長(zhǎng)指令、雙字長(zhǎng)指令分別表示什么意思？解：指令長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)沒(méi)有固定的關(guān)系，指令長(zhǎng)度可以等于機(jī)器字長(zhǎng)，也可以大于或小于機(jī)器字長(zhǎng)。通常，把指令長(zhǎng)度等于機(jī)器字長(zhǎng)的指令稱為單字長(zhǎng)指令；指令長(zhǎng)度等于半個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的指令稱為半字長(zhǎng)指令；指令長(zhǎng)度等于兩個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的指令稱為雙字長(zhǎng)指令。3-２、零地址指令的操作數(shù)來(lái)自哪里？一地址指令中，另一個(gè)操作數(shù)的地址通?？刹捎檬裁磳ぶ贩绞将@得？各舉一例說(shuō)明。解：雙操作數(shù)的零地址指令的操作數(shù)來(lái)自堆棧的棧頂和次棧頂。雙操作數(shù)的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)先存放在累加器中。例如：零地址指令壓棧、出棧指令和一地址的加法指令。3-３、某機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令長(zhǎng)度１６位；每個(gè)操作數(shù)的地址碼長(zhǎng)６位，指令分為無(wú)操作數(shù)、單操作數(shù)和雙操作數(shù)三類。若雙操作數(shù)指令已有K種，無(wú)操作數(shù)指令已有L種，問(wèn)單操作數(shù)指令最多可能有多少種？上述三類指令各自允許的最大指令條數(shù)是多少？

答：指令結(jié)構(gòu)為：XXXXYYYYYYZZZZZZ雙操作數(shù)指令K種：0000YYYYYYZZZZZZ…K-1YYYYYYZZZZZZ無(wú)操作數(shù)指令L種：K000000000000…L+K-1111111111111單操作數(shù)指令數(shù)=（24-K）*26-(L/26)*K雙操作數(shù)指令最大數(shù)為24-1單操作數(shù)指令最大數(shù)為15*26-1（假設(shè)雙操作數(shù)指令為一條）無(wú)操作數(shù)指令最大數(shù)為216-212-26（212為雙地址指令地址占用數(shù)，26為單地址指令地址占用數(shù)，雙和單操作數(shù)指令都為一條指令。）3-４、設(shè)某機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令長(zhǎng)度１２位，每個(gè)地址碼占３位，試提出一種分配方案，使該指令系統(tǒng)包含：４條三地址指令，８條二地址指令，１８０條單地址指令。答：4條三地址指令：000XXXYYYZZZ……011XXXYYYZZZ8條二地址指令：100000YYYZZZ……100111YYYZZZ180條單地址指令：101000000ZZZ……111110011ZZZ3-5指令格式同上題，能否構(gòu)成：三地址指令４條，單地址指令２５５條，零地址指令６４條？為什么？答：4條三地址指令：000XXXYYYZZZ……011XXXYYYZZZ255條單地址指令：100000000ZZZ……111111110ZZZ零地址指令：111111111000……111111111111只有8條3-６、指令中地址碼的位數(shù)與直接訪問(wèn)的主存容量和最小尋址單位有什么關(guān)系？答：主存容量越大，所需的地址碼位數(shù)就越長(zhǎng)。對(duì)于相同容量來(lái)說(shuō)，最小尋址單位越小，地址碼的位數(shù)就越長(zhǎng)。3-７、試比較間接尋址和寄存器間址。答：間接尋址方式的有效地址在主存中，操作數(shù)也在主存中；寄存器間址方式的有效地址在寄存器中，操作數(shù)在主存中。所以間接尋址比較慢。3-８、試比較基址尋址和變址尋址。答：基址尋址和變址尋址在形成有效地址時(shí)所用的算法是相同的，但是它們兩者實(shí)際上是有區(qū)別的。一般來(lái)說(shuō)，變址尋址中變址寄存器提供修改量（可變的），而指令中提供基準(zhǔn)值（固定的）；基址尋址中基址寄存器提供基準(zhǔn)值（固定的），而指令中提供位移量（可變的）。這兩種尋址方式應(yīng)用的場(chǎng)合也不同，變址尋址是面向用戶的，用于訪問(wèn)字符串、向量和數(shù)組等成批數(shù)據(jù)；而基址尋址面向系統(tǒng)，主要用于邏輯地址和物理地址的變換，用以解決程序在主存中的再定位和擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題。在某些大型機(jī)中，基址寄存器只能由特權(quán)指令來(lái)管理，用戶指令無(wú)權(quán)操作和修改。3-９、某機(jī)字長(zhǎng)為１６位，主存容量為６４K字，采用單字長(zhǎng)單地址指令，共有５０條指令。若有直接尋址、間接尋址、變址尋址、相對(duì)尋址四種尋址方式，試設(shè)計(jì)其指令格式。答：四種尋址方式需要兩位，50條指令則需6位作為操作碼，剩下的8位為地址碼。所以指令格式為：操作碼６位，尋址方式２位，地址碼８位。尋址空間計(jì)算3-10、某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為１６位，主存容量為６４K字，指令格式為單字長(zhǎng)單地址，共有６４條指令。試說(shuō)明：（１）若只采用直接尋址方式，指令能訪問(wèn)多少主存單元？（２）為擴(kuò)充指令的尋址范圍，可采用直接／間接尋址方式，若只增加一位直接／間接標(biāo)志，指令可尋址范圍為多少？指令直接尋址的范圍為多少？（３）采用頁(yè)面尋址方式，若只增加一位Z／C（零頁(yè)／現(xiàn)行頁(yè)）標(biāo)志，指令尋址范圍為多少？指令直接尋址范圍為多少？（４）采用（２）、（３）兩種方式結(jié)合，指令的尋址范圍為多少？指令直接尋址范圍為多少？

答：指令格式為單字長(zhǎng)單地址，64條：操作碼需占用6位；（1）采用直接尋址：除操作碼外，10位都作為地址位，210=1K，可訪問(wèn)主存單元為1K字；（2）增加1位直接/間接標(biāo)志，10-1=9，29=512,直接尋址訪問(wèn)為512個(gè)字；采用間接尋址可訪問(wèn)整個(gè)主存空間即64K字；（3）采用頁(yè)面尋址方式，增加一位Z／C（零頁(yè)／現(xiàn)行頁(yè)）標(biāo)志，10-1=9，29=512,則尋址范圍同（2）一樣；（4）采用（２）、（３）兩種方式結(jié)合，則10-1-1=8，28=256，則直接尋址訪問(wèn)為256個(gè)字，采用間接尋址可訪問(wèn)整個(gè)主存空間64K字。3-１１、設(shè)某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)３２位，CPU有３２個(gè)３２位的通用寄存器，設(shè)計(jì)一個(gè)能容納６４種操作的單字長(zhǎng)指令系統(tǒng)。（１）如果是存儲(chǔ)器間接尋址方式的寄存器－存儲(chǔ)器型指令，能直接尋址的最大主存空間是多少？（２）如果采用通用寄存器作為基址寄存器，能直接尋址的最大主存空間又是多少？答：因?yàn)橛?jì)算機(jī)中共有６４條指令，所以操作碼占６位；３２個(gè)通用寄存器，寄存器編號(hào)占５位；其余部分為地址碼或標(biāo)志位。32-6-5=21（１）如果是存儲(chǔ)器間接尋址方式的寄存器－存儲(chǔ)器型指令，則需間址標(biāo)志１位，剩下21-1=20位，所以作地址碼有２０位，直接尋址的最大主存空間是220字。（２）如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則EA=(Rb)+A，則能直接尋址的最大主存空間為存儲(chǔ)器空間即232字。3-１２、已知某小型機(jī)字長(zhǎng)為１６位，其雙操作數(shù)指令的格式如下：0567815OPRA其中：OP為操作碼，R為通用寄存器地址。試說(shuō)明下列各種情況下能訪問(wèn)的最大主存區(qū)域有多少機(jī)器字？（１）A為立即數(shù)。（２）A為直接主存單元地址。（３）A為間接地址（非多重間址）。（４）A為變址尋址的形式地址，假定變址寄存器為R１（字長(zhǎng)為１６位）。答：（１）１個(gè)機(jī)器字。（２）28=２５６個(gè)機(jī)器字。（３）216=６５５３６個(gè)機(jī)器字。（４）216=６５５３６個(gè)機(jī)器字。有效地址計(jì)算P76：3-13、14、15講過(guò)3-16、某計(jì)算機(jī)有變址尋址、間接尋址和相對(duì)尋址等方式,設(shè)當(dāng)前指令的地址碼部分為001AH，正在執(zhí)行的指令所在地址為1F05H,變址寄存器中的內(nèi)容為23A0H,已知存儲(chǔ)器的部分地址及相應(yīng)內(nèi)容如圖：（1）當(dāng)執(zhí)行取數(shù)指令時(shí),如為變址尋址方式則取出的數(shù)是多少？

（2）如為間接尋址方式則取出的數(shù)為多少？

（3）當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí),轉(zhuǎn)移地址是多少？

地址內(nèi)容

001AH23A0H

1F05H2400H

1F1FH2500H

23A0H2600H

23BAH1700H

解:（1）S=((RX)+A)=(23A0H+001AH)=(23BAH)=1748H(2)S=((A))=(001AH)=23A0H(3)EA=PC+2+rel=1F05H+2+001AH=1F21H（假設(shè)轉(zhuǎn)移指令為2字節(jié)）3-１7、舉例說(shuō)明哪幾種尋址方式除去取指令以外不訪問(wèn)存儲(chǔ)器？哪幾種尋址方式除去取指令外只需訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器？完成什么樣的指令，包括取指令在內(nèi)共訪問(wèn)４次存儲(chǔ)器？答：除去取指令以外不訪問(wèn)存儲(chǔ)器：立即尋址，寄存器尋址。除去取指令外只需訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器：直接尋址，寄存器間接尋址，變址尋址，基址尋址，相對(duì)尋址，頁(yè)面尋址。二級(jí)間接尋址包括取指令在內(nèi)共訪問(wèn)４次存儲(chǔ)器。3-１8、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每取一個(gè)字節(jié)便自動(dòng)完成（PC）＋１→PC的操作。試問(wèn)當(dāng)執(zhí)行JMP*＋８和JMP*－９指令（倡為相對(duì)尋址特征）時(shí)，轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)的內(nèi)容各為多少？轉(zhuǎn)移的目的地址各是什么？答：轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)的內(nèi)容分別為：00001000（＋８），11110111（－９）轉(zhuǎn)移的目的地址分別為：２００AH，１FF９H。3-１9、在某堆棧計(jì)算機(jī)中，用一地址指令PIUSH、POP）及零地址指令A(yù)DD、MPY寫(xiě)出計(jì)算下式：Z=(A*(B+C+D)*E+F*F)*(B+C+D)的程序設(shè)A、B…是主存單元地址中存放的數(shù)據(jù)位a、b…PUSHBPUSHCPUSHDADDADDPOPXPUSHAPUSHXMPYPUSHEMPYPUSHFPUSHFMPYADDPUSHXMPYPOPZ3-21．什么叫主程序和子程序？調(diào)用子程序時(shí)還可采用哪幾種方法保存返回地址？畫(huà)圖說(shuō)明調(diào)用子程序的過(guò)程。答：主程序就是指通常的程序，而子程序是一組可以公用的指令序列，只要知道子程序的入口地址就能調(diào)用它。保存返回地址的方法有多種：（１）用子程序的第一個(gè)字單元存放返回地址。轉(zhuǎn)子指令把返回地址存放在子程序的第一個(gè)字單元中，子程序從第二個(gè)字單元開(kāi)始執(zhí)行。返回時(shí)將第一個(gè)字單元地址作為間接地址，采用間址方式返回主程序。（２）用寄存器存放返回地址。轉(zhuǎn)子指令先把返回地址放到某一個(gè)寄存器中，再由子程序?qū)⒓拇嫫髦械膬?nèi)容轉(zhuǎn)移到另一個(gè)安全的地方。（３）用堆棧保存返回地址。調(diào)用子程序的過(guò)程如圖所示，此時(shí)返回地址保存在堆棧中。P78、3-22題在某些計(jì)算機(jī)中，調(diào)用子程序的方法是這樣實(shí)現(xiàn)的：轉(zhuǎn)子指令將返回地址存入子程序的第一個(gè)字單元，然后從第二個(gè)字單元開(kāi)始執(zhí)行子程序，請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（１）為這種方法設(shè)計(jì)一條從子程序轉(zhuǎn)到主程序的返回指令。（２）在這種情況下，怎么在主、子程序間進(jìn)行參數(shù)的傳遞？（３）上述方法是否可用于子程序的嵌套？（４）上述方法是否可用于子程序的遞歸（即某個(gè)子程序自己調(diào)用自己）？（５）如果改用堆棧方法，是否可實(shí)現(xiàn)（４）所提出的問(wèn)題？（１）返回指令通常為零地址指令。返回地址保存在堆棧中，執(zhí)行返回指令時(shí)自動(dòng)從堆棧中彈出。而目前返回地址是保存在子程序的第一個(gè)單元中，故此時(shí)返回指令不能再是零地址指令了，而應(yīng)當(dāng)是一地址指令。如：OP@子程序首地址；間接尋址可找到返回地址，然后無(wú)條件轉(zhuǎn)移到返回的位置。（２）在這種情況下，可利用寄存器或主存單元進(jìn)行主、子程序間的參數(shù)傳遞。（３）可以用于子程序的嵌套（多重轉(zhuǎn)子）。因?yàn)槊總€(gè)返回地址都放在調(diào)用的子程序的第一個(gè)單元中。（４）不可以用于子程序的遞歸，因?yàn)楫?dāng)某個(gè)子程序自己調(diào)用自己時(shí)，子程序第一個(gè)單元的內(nèi)容將被破壞。（５）如果改用堆棧方法，可以實(shí)現(xiàn)子程序的遞歸，因堆棧具有后進(jìn)先出的功能。計(jì)算指令偏移量例：設(shè)存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，相對(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令字長(zhǎng)為2B，第二字節(jié)為相對(duì)偏移量，用補(bǔ)碼表示。CPU取指時(shí)每取出一個(gè)字節(jié)自動(dòng)完成PC←(PC)+1操作。假設(shè)某相對(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令的第一字節(jié)地址為200