第七章1、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）先变址再间址寻址过程简单示意如下：EA=（IX）+A,IXt（IX） + 1IXt2）先间址再变址寻址过程简单示意如下：EA=（IX） + （A），（IX） + 1注意： 3）寻址后把操作数送回指令操作码，再访存。x1）英文缩写EA表示有效地址，不能乱用。2）示意图中应标明EA （有效地址）的位置。2. 16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：X某机主存容量为4M （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：736（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1FH-20H；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：736（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。 方案二：（7）如果仍采用单字长指令（16位）格式，为使指令寻址范围扩大到4M，可通过段寻址方案实现。安排如下：硬件设段寄存器DS（16位），用来存放段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬件自动完成段寻址，最后得22位物理地址。26 + EA x物理地址=（DS）注：段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬件自动完成，对用户是透明的。 方案三：（7）在采用单字长指令（16位）格式时，还可通过页面寻址方案使指令寻址范围扩大到4M。安排如下： 硬件设页面寄存器PR（16位），用来存放页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当需要使指令寻址范 围扩大到4M时，编程选择页面寻址方式，则：EA =（PR） II A （有效地址=页面地址拼接6位形式地址）这样得到22位有效地址。（5）相对寻址的位移量范围为： x讨论：（6）基址寻址便于程序浮动；x （PC）-32； （PC内容此时做基地址使用，形式地址给出位移量）（PC） + 31 （7）采用基址寻址：x （基址寻址的程序浮动能力没有相对寻址 强，在两种寻址方式都给出的情况下，描述程序浮动能力时应选相对寻址） 采用32位指令：（应为双字长指令）x 物理地址=段地址+段内位移量A通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区别：存储器地址位数），位移量比较短（=形式地址位数），相加后得到的有效地址长度=基地址长度。此时主存不分段。1）基址寻址的基地址一般比较长（实际地址=有效地址= 基地址+位移量段寻址是基址寻址的一种变种，当基地址短于存储地址时，基址寻址就变成了段寻址，基地址就叫做段地址，此时主存分段。偏移量+段内位移量（有效地址）x实际地址=段地址存储字长的机器中，可直接通过寻址计算获得实际地址。 2）基址寻址一般在机器字长存储字长的机器中，由于CPU内部数据通路的限制，编程指定的任何一种寻址计算得到的有效地址长度都等于机器字长，为获得更长的 地址字，硬件自动通过段寻址计算出存储器实际地址。V在机器字长 （7）采用变址间接寻址，变址寄存器6位，先 变址，再间址，EA=（6位基地址）*（16位间接地址）=26*216 = 222 x（通过乘法运算进行寻址操作太慢且复杂，无机器用过）（8）如使一条转移指令能转移到主存的任一位置，可采用RS型指令；（x 两个错：1） RS型只是二地址以上 指令的类型，即指令中二个地址场一个给出寄存器号，一个给出面向存储器的地址信息。2）题意的实现与寻址方式和形式地址长度有关，与指令的地址场结构无直接关系。）16位容量= 226位，采用变址间接寻址，变址寄存器10 位，210*216构成26位地址；x 4Mx （两个错：1）存储器地址结构错；2）寻址计算方法错，见前面的讨论） x（8）A需22位，采用（7）的双字长指令格式，令PC=0，当PC取不同值时指明当前位置不同；（把转移指令（指令的跳跃寻址）与数据的相对寻址混淆。转移指令可重置PC值，相对寻址时只是用PC的值，而不能对其修 改）相关问题：* 一般：机器字长=存储字长；* CPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位数=机器字长； *通常：指令字长不一定等于机器字长。早期的小型机由于字长较短，指令常以机器字长为单位变化（几字长指令， 如PDP-11机），目前以字节长为单位变化（几字节指令）的较多。习题中指令字长=机器字长的假设只是为简单起见； *当设指令字长=存储字长（=机器字长）时，如用立即寻址，由于立即数由形式地址直接给出，而形式地址的位数 肯定不足一个字长，因此立即寻址非常适用于编程给出短常数的场合。如果非要把立即数存入存储器，那就只好高位 补0了。干吗这样用呢？ 提示：寻址方式的正确选择与编程技巧有关。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，采用寄存器一存储器型指令，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，则上述寄存器一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：65120（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： 6511514（2）指令格式：x讨论：3. 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，最多还能容纳多少条？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： 277（3）寄存器寻址的二地址指令：844（6）若安排寄存器寻址的一地址指令，指令格式应为：124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 11 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 11 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 11 1 11 1 1 11 0 1 1 11 111 1 1 11 1 00 000 32 条 0 地址 1 11 1 11 1 1 11 1 11 1 1 1指令不画所设计的指令格式图，只分配指令操作码编码。x讨论： 指令格式中安排寻址方式字段，例： 2347 x评注：这是一道指令格式设计题，本题已给出了各种指令所需的条数，因此，在根据题意画出各种指令的格式后，剩 下的工作就是要为每一条指令分配编码。在采用扩展操作码技术分配指令编码时，扩展的基本方法是在所设计的指令 系统中，选定一种操作码位数最少的指令格式作为基本格式，然后在这种基本格式的基础上进行操作码编码的扩展。 为便于硬件译码结构的实现，编码分配应尽量做到有序、有规律。特别是扩展标志码的选择，应尽量采用特征较强的 编码，象全1编码等。另外，应在某类指令的编码全部安排完后，再考虑安排扩展标志码，以避免漏排或重码等不必 要的混乱。17. 某机指令字长16位，每个操作数的地址码为6位，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种 格式。若零地址指令有M种，一地址指令有N种，则二地址指令最多有几种？若操作码位数可变，则二地址指令最 多允许有几种？ 解：1）若采用定长操作码时，二地址指令格式如下：466设二地址指令有K种，则：K=24-M-N 当M = 1 （最小值），N = 1 （最小值）时，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1 = 14种2）若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如1）所示，但操作码长度可随地址码的个数而变。此时，K= 24 -（N/26 + M/212）；1时，K最大，则二地址指令最多有：（N/26+ M/212向上取整）当（N/26 + M/212）Kmax=16-1 = 15种（只留一种编码作扩展标志用。）讨论：此时，一地址指令条数为：N=（24 - K）X26 - M/26；（ M/26向上取整）。 零地址指令条数为： M = 216 - 212K - 26N 当K最大时（K=15），一地址指令最多有： Nmax=64 - 1 = 63 种；零地址指令最多有：Mmax=64种 注意：应首先根据题意画出指令基本格式。第八章1. 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？ 解：指令周期是指一条指令从开始取直到执行完这段时间。由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。讨论： 指令周期长度不一致的根本原因在于设计者，为了提高CPU运行效率而这样安排的，与指令功能不同及指令实际执 行时间不同没有什么必然关系。2. 设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MD