习 题 与 题 解 （7-10章）,目 录 第三篇 中央处理器（CPU） 第七章 指令系统 第八章 CPU的结构和功能 第四篇 控制单元CU 第九章 控制单元的功能 第十章 控制单元的设计,指 令 系 统,第 七 章,7. 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。,8. 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）设形式地址为A，变址寄存器为IX，则先变址再间址寻址过程示意如下： （一重间址） EA=(IX)+A (IX)+1IX,OP M A,IR,IX,EA,操作数,+1,ALU,MM,2）先间址再变址寻址过程示意： EA=(IX)+(A) (IX)+1IX,OP M A,IR,IX,操作数,+1,ALU,MM,EA,9. 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（可省）,寻址操作： 寄存器间址 EA=(R1) =2074H,EA MAR，读,M(EA) MDR,(ACC)-(MDR) ACC,A,A,（公操作）,10. 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（可省）,寻址计算： EA=(PC)-5 =4000H+FFFBH =3FFBH,EA MAR，读,M(EA) MDR,(ACC)+(MDR) ACC,A,A,（公操作）,11. 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）+1PC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：,2000H 2001H 2002H,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= +6 = 0000 0110 = 06H A2= -11 = 1111 0101 = F5H 其有效地址各为： EA1= (PC) +6 = 2002H+0006H = 2008H EA2= (PC) 9 =2002H+FFF5H = 1FF9H,12. 某机主存容量为4M16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： （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： 7 3 6,OP M A,各字段的作用： OP操作码字段，提供至少108种指令操作码； M寻址方式码字段，指出6种寻址方式； A形式地址字段，给出寻址所需的形式地址。,（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1FH20H；十进制表示为31 -32；无符号数为063； （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： 7 3 6,OP M A,A,16 图中，指令的第一字保持原来格式不变，形式地址A扩展到第2个字。这样，直接寻址时，EA=A=16+6=22位，正好可访问4M地址空间。由于A的扩展，变址、基址、相对、立即数等寻址方式也扩展到22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。总之，不论采取何种方式，最终得到的实际地址应是22位。,13. 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四次存储器？ 解：举例如下： 1）一地址指令在执行阶段不访存的寻址方式有：寄存器寻址、立即寻址。 2）一地址指令在执行阶段只访存一次的寻址方式有：寄存器间接寻址、直接寻址、基址寻址、变址寻址、相对寻址、页面寻址。,3）包括取指在内共访存四次的指令有：二重间址的一地址指令；一重间址的二地址指令，当另一操作数采用直接、基址、变址、相对、页面、寄存器间接寻址时。,15. 某CPU内有32个32位的通用寄存器，设计一种能容纳64种操作的指令系统。假设指令字长等于机器字长，试回答： （1）如果主存可直接或间接寻址，采用“寄存器存储器”型指令，能直接寻址的最大存储空间是多少？画出指令格式并说明各字段的含义。 （2）如果采用通用寄存器作基址寄存器，则上述“寄存器存储器”型指令的指令格式有何特点？画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间？,解： （1）如采用RS型指令，则此指令一定是二地址以上的地址格式，指令格式如下： 6 5 1 20,OP Ri I A,操作码 寄存器号 间接 形式地址 标志 直接寻址的最大空间=220=1M字 此指令格式的设计有较大的发挥余地，为简化设计，在此采用紧贴题意的答题方式，即只按题意要求的因素设计，不考虑扩展因素。,（2）如采用基址寻址，则指令格式中应给出基址寄存器号，以指定哪一个通用寄存器用作基址寄存器。指令格式变为： 6 5 1 1 5 14,OP Ri I B BRi A,其中：I、B可省（B为基址寻址标志），BRi为基址寄存器号。基址寻址时： 寻址的最大空间=232=4G字 其寻址范围仅与基址位数有关，与形式地址位数无关。,16. 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。采用扩展操作码技术，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：题意分析： 设指令字长=机器字长，128字的直接寻址空间要求形式地址A为7位，-64+63的位移量也需7位（6位加1位符号位），16个通用寄存器作变址寄存器需4位变址寄存器号，则指令格式为： （1）直接寻址的二地址指令： 2 7 7,OP A1 A2,（2）变址寻址的一地址指令： 5 4 7,OP IX A,（3）寄存器寻址的二地址指令： 8 4 4,OP Ri Rj,（4）直接寻址的一地址指令： 9 7,OP A,（5）零地址指令： 16,OP,（6）若安排寄存器寻址的一地址指令，指令格式应为： 12 4,OP Ri,要清楚是否有冗余编码，必须做出具体的操作码编码分配方案，见下页。 由于寄存器寻址的一地址指令格式介于直接寻址的一地址指令与0地址指令之间，因此在设计0地址指令编码时，必须从全1开始往下安排，空出的即为冗余编码，可分给寄存器寻址的一地址指令用。这样的编码有30个，因此还能安排30条该类指令。（注意：需去掉4位Ri场）,操作码编码分配： 0 0 0 1 A1，A2； 3条直接寻址的二地址指令。 1 0 1 1 0 0 0 IX，A；6条变址寻址的一地址指令。 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 Ri，Rj； 1 1 1 1 0 1 1 1 8条寄存器寻址的二地址指令。 1 1 1 1 1 0 0 0 0 A； 1 1 1 1 1 1 0 1 1 12条直接寻址的一地址指令。,续： 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 Ri； 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 30条寄存器寻址的 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 一地址指令。 （利用30个冗余编码） 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 32条0地址 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 指令,17. 某机指令字长16位，每个