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计算机组成原理第 7 章习题 1 第 7 章 指 令 系 统 例例 7 1 假设指令字长为 16 位 操作数的地址码为 6 位 指令有零地址 一地址 二地址三种格 式 1 设操作码固定 若零地址指令有 P 种 一地址指令有 Q 种 则二地址指令最多有几种 2 采用扩展操作码技术 若二地址指令有 X 种 零地址指令有 Y 种 则一地址指令最多有几 种 解 1 根据操作数地址码为 6 位 则二地址指令中操作码的位数为 16 6 6 4 这 4 位操作码可 有 24 16 种操作 由于操作码固定 则除去了零地址指令 P 种 一地址指令 Q 种 剩下二地址指令最 多有 16 P Q 种 2 采用扩展操作码技术 操作码位数可变 则二地址 一地址和零地址的操作码长度分别为 4 位 10 位和 16 位 可见二地址指令操作码每减少一种 就可多构成 26种一地址指令操作码 一地址 指令操作码每减少一种 就可多构成 26种零地址指令操作码 因二地址指令有 X 种 则一地址指令最多有 64 22 X种 设一地址指令有M种 则零地址指 令最多有 664 222 MX种 根据题中给出零地址指令有Y种 即 664 222 MXY 则一地址指令 664 222 YXM 例例 7 2 设相对寻址的转移指令占3个字节 第一字节为操作码 第二 三字节为相对位移量 补 码表示 而且数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式 每当CPU从存储器取出一个 字节时 即自动完成 PC 1 PC 1 若PC当前值为240 十进制 要求转移到290 十进制 则转移指令的第二 三字节的 机器代码是什么 2 若PC当前值为240 十进制 要求转移到200 十进制 则转移指令的第二 三字节的 机器代码是什么 解 1 PC当前值为240 该指令取出后PC值为243 要求转移到290 即相对位移量为290 243 47 转换成补码为2FH 由于数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式 故该转移指令 的第二字节为2FH 第三字节为00H 2 PC当前值为240 该指令取出后PC值为243 要求转移到200 即相对位移量为200 243 计算机组成原理第 7 章习题 2 43 转换成补码为D5H 由于数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式 故该转移 指令的第二字节为D5H 第三字节为FFH 例例 7 3 一条双字长直接寻址的子程序调用指令 其第一个字为操作码和寻址特征 第二个字为地 址码5000H 假设PC当前值为2000H SP的内容为0100H 栈顶内容为2746H 存储器按字节编址 而且进栈操作是先 SP SP 后存入数据 试回答下列几种情况下 PC SP及栈顶内容各为多 少 1 CALL指令被读取前 2 CALL指令被执行后 3 子程序返回后 解 1 CALL指令被读取前 PC 2000H SP 0100H 栈顶内容为2746H 2 CALL指令被执行后 由于存储器按字节编址 CALL指令共占4个字节 故程序断点2004H 进栈 此时SP SP 2 00FEH 栈顶内容为2004H PC被更新为子程序入口地址5000H 3 子程序返回后 程序断点出栈 PC 2004H SP被修改为0100H 栈顶内容为2746H 例例 7 4 某机字长16位 存储器直接寻址空间为128字 变址时的位移量为 64 63 16个通 用寄存器均可作为变址寄存器 设计一套指令系统格式 满足下列寻址类型的要求 1 直接寻址的二地址指令3条 2 变址寻址的一地址指令6条 3 寄存器寻址的二地址指令8条 4 直接寻址的一地址指令12条 5 零地址指令32条 试问还有多少种代码未用 若安排寄存器寻址的一地址指令 还能容纳多少条 解 1 在直接寻址的二地址指令中 根据题目给出直接寻址空间为128字 则每个地址码为7位 其格式如图7 1 a 所示 3条这种指令的操作码为00 01和10 剩下的11可作为下一种格式指令 的操作码扩展用 计算机组成原理第 7 章习题 3 2 7 7 00 10 3 条 a OP A1 A2 5 4 7 11000 11101 6 条 b OP Rx A 8 4 4 11110000 11110111 8 条 c OP Ri Rj 9 7 111110000 111111011 12 条 d OP A 16 1111111000000000 1111111000011111 32 条 e OP 图 7 1 例 7 4 五种指令格式 2 在变址寻址的一地址指令中 根据变址时的位移量为 64 63 形式地址A 取7位 根 据16个通用寄存器可作为变址寄存器 取4位作为变址寄存器Rx的编号 剩下的5位可作操作码 其格式如图7 1 b 所示 6条这种指令的操作码为11000 11101 剩下的两个编码11110和11111 可作为扩展用 3 在寄存器寻址的二地址指令中 两个寄存器地址Ri和Rj共8位 剩下的8位可作操作码 比格式 2 的操作码扩展了3位 其格式如图7 1 c 所示 8条这种指令的操作码为11110000 11110111 剩下的11111000 11111111八个编码可作为扩展用 4 在直接寻址的一地址指令中 除去7位的地址码外 可有9位操作码 比格式 3 的操作 码扩展了1位 与格式 3 剩下的8个编码组合 可构成16个9位编码 以11111作为格式 4 指 令的操作码特征位 12条这种指令的操作码为111110000 111111011 如图7 1 d 所示 剩下的 111111100 111111111可作为扩展用 5 在零地址指令中 指令的16位都作为操作码 比格式 4 的操作码扩展了7位 与上述剩 下的4个操作码组合后 共可构成4 27条指令的操作码 32条这种指令的操作码可取1111111000000000 1111111000011111 如图7 1 e 所示 还有29 32 480种代码未用 若安排寄存器寻址的一地址指令 除去末4位为寄存器地址外 还可容纳30条这类指令 例例 7 5 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 计算机组成原理第 7 章习题 4 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 解 1 在单字长指令中 根据能完成105种操作 取操作码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 其指令格式为 7 2 7 OP M AD 其中OP为操作码 可完成105种操作 M为寻址特征 可反映四种寻址方式 AD为形式地址 这种指令格式可直接寻址27 128 一次间址的寻址范围是216 65536 2 容量为16MB的存储器 正好与存储字长为16位的8M存储器容量相等 即16MB 8M 16 位 欲使指令直接访问16MB 的主存 可采用双字长指令 其操作码和寻址特征位均不变 其格式为 7 2 7 OP M AD1 AD2 其中形式地址为AD1 AD2 共7 16 23位 223 8M 即可直接访问主存的任一位置 例例 7 6 某模型机共有64种操作 操作码位数固定 且具有以下特点 1 采用一地址或二地址格式 2 有寄存器寻址 直接寻址和相对寻址 位移量为 128 127 三种寻址方式 3 有16个通用寄存器 算术运算和逻辑运算的操作数均在寄存器中 结果也在寄存器中 4 取数 存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据 5 存储器容量为1MB 按字节编址 要求设计算逻指令 取数 存数指令和相对转移指令的格式 并简述理由 解 1 算逻指令格式为 寄存器 寄存器 型 取单字长16位 6 2 4 4 OP M Ri Rj 其中 OP为操作码 6位 可实现64种操作 M为寻址模式 2位 可反映寄存器寻址 直接 寻址 相对寻址 Ri和Rj各取4位 指出源操作数和目的操作数的寄存器 共16个 编号 2 取数 存数指令格式为 寄存器 存储器 型 取双字长32位 格式如下 6 2 4 4 OP M Ri A1 A2 计算机组成原理第 7 章习题 5 其中 OP为操作码 6位不变 M为寻址模式 2位不变 Ri为4位 源操作数地址 存数指令 或目的操作数地址 取数指令 A1和A2共20位为存储器地址 可直接访问按字节编址的1MB存储 器 3 相对转移指令为一地址格式 取单字长16位 格式如下 6 2 8 OP M A 其中 OP为操作码 6位不变 M为寻址模式 2位不变 A为位移量8位 对应位移量为 128 127 例 7 7 设某机共能完成110种操作 CPU有8个通用寄存器 16位 主存容量为4M字 采用 寄存器 存储器型指令 1 欲使指令可直接访问主存的任一地址 指令字长应取多少位 画出指令格式 2 若在上述设计的指令字中设置一寻址特征位X 且X 1表示某个寄存器作基址寄存器 画 出指令格式 试问基址寻址可否访问主存的任一单元 为什么 如不能 提出一种方案 使其可访问 主存的任一位置 3 若主存容量扩大到4G字 且存储字长等于指令字长 则在不改变上述硬件结构的前提下 可采用什么方法使指令可访问存储器的任一位置 解 1 欲使指令可直接访问4M字存储器的任一单元 采用寄存器 存储器型指令 该机指令应包 括22位的地址码 3位寄存器编号和7位操作码 即指令字长取22 3 7 32位 指令格式为 7 3 22 OP R A 2 上述指令格式中增设一寻址特征位 且X 1表示某个寄存器作基址寄存器RB 其指令格 式为 7 3 13 18 OP R XRB A 由于通用寄存器仅16位 形式地址18位 不足以覆盖4M地址空间 可将RB寄存器内容左移6 位 低位补0 形成22位基地址 然后与形式地址相加 所得的有效地址即可访问4M字存储器的任 一单元 3 若主存容量扩大到4G字 且存储字长等于指令字长 则在不改变上述硬件结构的前提下 采用一次间址即可访问存储器的任一单元 因为间址后得到的有效地址为32位 232 4G 例例 7 8 某机主存容量为4M 16位 且存储字长等于指令字长 若该机指令系统能完成97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 计算机组成原理第 7 章习题 6 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 一次间址和多次间址的寻址范围 4 立即数的范围 十进制数表示 5 相对寻址的位移量 十进制数表示 6 上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短 哪一种最长 哪一种便于用户编制处理数 组问题的程序 哪一种便于程序浮动 为什么 7 如何修改指令格式 使指令的直接寻址范围可扩大到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 请简要说明 解 1 一地址指令格式为 OP M A OP 操作码字段 共7位 可反映97种操作 M 寻址方式特征字段 共3位 可反映6种寻址方式 A 形式地址字段 共16 7 3 6位 2 直接寻址的最大范围为26 64 3 由于存储字长为16位 故一次间址的寻址范围为216 若多次间址 需用存储字的最高位来 区别是否继续间接寻址 故寻址范围为215 4 立即数的范围是 32 31 有符号数 或0 63 无符号数 5 相对寻址的位移量为 32 31 6 上述六种寻址方式中 因立即数由指令直接给出 故立即寻址的指令执行时间最短 间接寻 址在指令的执行阶段要多次访存 一次间接寻址要两次访存 多次间接寻址要多次访存 故执行时间 最长 变址寻址由于变址寄存器的内容由用户给定 而且在程序的执行过程中允许用户修改 而其形 式地址始终不变 故变址寻址的指令便于用户编制处理数组问题的程序 相对寻址操作数的有效地址 只与当前指令地址相差一定的位移量 与直接寻址相比 更有利于程序浮动 7 若指令的格式