算机组成原理第七.ppt

指指 令令 系系 统统第第 七七 章章1.什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？答：机器指令：把每一条机器语言的语句叫机器指令。指令系统：将全部机器指令的集合叫做机器的指令系统机器的指令系统集中反映了机器的功能。计算机设计者主要研究如何确定机器的指令系统，如何用硬件电路，芯片，设备来实现机器指令系统的功能，计算机的使用者则是依据机器提供的指令系统，使用汇编语言来编制各种程序。计算机使用者根据机器指令系统所描述的机器功能，能很清楚地了解计算机内部寄存器-存储器的结构。以及计算机能直接支持的各种数据类型。2023/1/323.什么是指令字长、机器字长和存储字长？什么是指令字长、机器字长和存储字长？答：指令字长即指机器指令中含二进制代码的总位数。指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。不同的指令的字长是不同的。存储字长指一个存储单元存储二进制代码的位数。机器字长指CPU一次能处理中数据的位数你，通常与CPU中寄存器的位数有关。三者位数可以相等，也可以不等。2023/1/334.零地址指令的操作数来自哪里？一地址指令的另一个操作数地址通常可采取什么寻址方式获得？各举一例说明。答：零地址指令的操作数来自堆栈的栈顶和次栈顶。一地址指令的另一个操作数通常可采用隐含寻址方式获得，即将另一操作数预先存放在累加器ACC中。2023/1/34 6.6.某指令系统字长为某指令系统字长为16位位，地址码，地址码取取4位位，试提出一种方案，使该指令系统，试提出一种方案，使该指令系统有有8条条三地址指令、三地址指令、16条条二地址指令、二地址指令、100条一地址指令。条一地址指令。解：解：三地址指令格式三地址指令格式如下：如下：4 4 4 4 OP A OP A1 1 A A2 2 A A3 3 解题思路：以三地址指令格式为解题思路：以三地址指令格式为解题思路：以三地址指令格式为解题思路：以三地址指令格式为该指令系统的基本格式。以此格式为该指令系统的基本格式。以此格式为该指令系统的基本格式。以此格式为该指令系统的基本格式。以此格式为基础，采用基础，采用基础，采用基础，采用扩展操作码扩展操作码扩展操作码扩展操作码技术，设计出技术，设计出技术，设计出技术，设计出题意所要求的地址码结构的指令。题意所要求的地址码结构的指令。题意所要求的地址码结构的指令。题意所要求的地址码结构的指令。指令操作码分配方案指令操作码分配方案指令操作码分配方案指令操作码分配方案如下：如下：如下：如下：4位位OP0000，A1，A2，A3；8条条三地址指令三地址指令0111，1000，0000，A2，A3；16条条二地址指令二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，A3；100条条一地址指令一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，冗余编码冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数可用来扩充一、零地址指令条数1010，冗余编码冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数可用来扩充三、二、一、零地址指令条数 指令操作码分配方案指令操作码分配方案指令操作码分配方案指令操作码分配方案 7.设指令字长为设指令字长为16位位，采用扩展操作，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为码技术，每个操作数的地址为6位位。如果定。如果定义了义了13条条二地址指令，试问还可安排多少二地址指令，试问还可安排多少条一地址指令？条一地址指令？解：解：二地址指令格式二地址指令格式如下：如下：4 6 6 OP A OP A1 1 A A2 2 设二地址指令格式为该指令系统的设二地址指令格式为该指令系统的设二地址指令格式为该指令系统的设二地址指令格式为该指令系统的基本格式，基本格式，基本格式，基本格式，4 4位位位位操作码共有操作码共有操作码共有操作码共有1616种种种种编码，编码，编码，编码，其中其中其中其中1313种种种种用来定义二地址指令，还剩用来定义二地址指令，还剩用来定义二地址指令，还剩用来定义二地址指令，还剩3 3种种种种可用作可用作可用作可用作扩展标志扩展标志扩展标志扩展标志。如不考虑零地址指。如不考虑零地址指。如不考虑零地址指。如不考虑零地址指令，该指令系统最多还能安排：令，该指令系统最多还能安排：令，该指令系统最多还能安排：令，该指令系统最多还能安排：一地址指令条数一地址指令条数一地址指令条数一地址指令条数 =3=3226 6=192192条条条条 8.某机指令字长某机指令字长16位位，每个操作数的地，每个操作数的地址码为址码为6位，设操作码长度位，设操作码长度固定固定，指令分为零，指令分为零地址、一地址和二地址地址、一地址和二地址三种三种格式。若零地址格式。若零地址指令有指令有M种种，一地址指令有，一地址指令有N种种，则二地址指，则二地址指令令最多最多有几种？若操作码位数有几种？若操作码位数可变可变，则二地，则二地址指令址指令最多最多允许有几种？允许有几种？解：解：1）若采用定长操作码时，二地址指）若采用定长操作码时，二地址指令格式如下：令格式如下：4 6 6 OP OP A A1 1 A A2 2 此时，无论指令中有几个地址，此时，无论指令中有几个地址，此时，无论指令中有几个地址，此时，无论指令中有几个地址，指令格式都不变指令格式都不变指令格式都不变指令格式都不变。设二地址指令有设二地址指令有K种，则：种，则：K=24-M-N 当当M=1（最小值），（最小值），N=1（最小值）时，二地址指令最（最小值）时，二地址指令最多有：多有：Kmax=16-1-1=14种种 2）若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如）若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如1）所）所示，但操作码长度可随地址码的个数而变。此时，示，但操作码长度可随地址码的个数而变。此时，M=(24-K)*26-N)*26，即，即 K=24-(N/26+M/212)；（N/26 +M/212 向上取整）向上取整）当当（N/26+M/212）1时，时，K最大，最大，则二地址指令最多有：则二地址指令最多有：Kmax=16-1=15种种（只留一种编码作扩展标志用。）（只留一种编码作扩展标志用。）讨论：讨论：此时此时 一地址指令条数为：一地址指令条数为：N=（24-K）26-M/26；（M/26向上取整）。向上取整）。零地址指令条数为：零地址指令条数为：M=216-212K-26N；当当K最大时（最大时（K=15），一地址指令最多有：），一地址指令最多有：Nmax=64-1=63种；种；零地址指令最多有：零地址指令最多有：Mmax=64种种 注意：注意：应首先根据题意画出指令基本格式。应首先根据题意画出指令基本格式。9.试比较间接寻址和寄存器间接寻址。试比较间接寻址和寄存器间接寻址。间接寻址和寄存器间址都可扩大寻址范围，它们形成有效地址的方式类似：间接寻址需通过访存（若是多次间址还需多次访存）得到有效地址；寄存器间接寻址有效地址不是存放在存储单元中，而是存放于寄存器中，故比间接寻址少访存一次。2023/1/311 10.试比较试比较基址寻址基址寻址和和变址寻址变址寻址。解：比较如下：解：比较如下：1）都可有效地）都可有效地扩大扩大指令寻址范围。指令寻址范围。2）基址寻址时，基准地址由基址寄存器给）基址寻址时，基准地址由基址寄存器给出，地址的出，地址的改变改变反映在反映在位移量位移量A的取值上；变址的取值上；变址寻址时，基准地址由寻址时，基准地址由A给出，地址的改变反映在给出，地址的改变反映在变址值的自动修改变址值的自动修改上，变址值由变址寄存器给上，变址值由变址寄存器给出。出。3）基址寄存器内容通常由）基址寄存器内容通常由系统程序系统程序设定，设定，变址寄存器内容通常由变址寄存器内容通常由用户用户设定。设定。4）基址寻址适用于程序的）基址寻址适用于程序的动态重定位动态重定位，变，变址寻址适用于址寻址适用于数组或字符串处理数组或字符串处理，适用场合，适用场合不不同同。11.画出画出先变址再间址先变址再间址及及先间址再变址先间址再变址的寻址过程示的寻址过程示意图。意图。解：解：1）先变址再间址先变址再间址寻址过程简单示意如下：寻址过程简单示意如下：EA=(IX)+A，(IX)+1IXIXOP M A+1+1ALUIRIREA操作数操作数主存主存主存主存IX：变址寄存器，：变址寄存器，既可是专用寄存器，既可是专用寄存器，也可是通用寄存器之一。也可是通用寄存器之一。设一重间接设一重间接2）先间址再变址先间址再变址寻址过程简单示意如下：寻址过程简单示意如下：EA=(IX)+(A)，(IX)+1IXIXIXOP M AOP M A+1+1ALUALUIRIREAEA操作数操作数操作数操作数主存主存主存主存IXIX：变址寄存器，：变址寄存器，：变址寄存器，：变址寄存器，既可是专用寄存器，既可是专用寄存器，既可是专用寄存器，既可是专用寄存器，也可是通用寄存器之一。也可是通用寄存器之一。也可是通用寄存器之一。也可是通用寄存器之一。设一重间接设一重间接 注意：注意：1 1）英文缩写）英文缩写EAEA表示有效地址，不能乱用。表示有效地址，不能乱用。2 2）示意图中应标明）示意图中应标明EAEA（有效地址）的位置。（有效地址）的位置。12.画出画出“SUB R1”指令对操作数的寻址及减法过程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的流程图。设被减数和结果存于ACC中，中，表示间接寻址，表示间接寻址，R1寄存器的内容为寄存器的内容为2074H。解：解：SUB R1指令寻址及减法过程的流程图：指令寻址及减法过程的流程图：取指令（可省）取指令（可省）取指令（可省）取指令（可省）寻址操作：寻址操作：寻址操作：寻址操作：寄存器间址寄存器间址寄存器间址寄存器间址EA=(R1)=2074HEA=(R1)=2074HEA EA MARMAR，读，读，读，读 M(EA)M(EA)MDRMDR(ACC)-(MDR)(ACC)-(MDR)ACCACC A A A A （公操作）（公操作）（公操作）（公操作）注：注：注：注：在没有指定数据通在没有指定数据通在没有指定数据通在没有指定数据通路的情况下，此流程只是一路的情况下，此流程只是一路的情况下，此流程只是一路的情况下，此流程只是一个粗略的示意。个粗略的示意。个粗略的示意。个粗略的示意。13.画出执行画出执行“ADD *-5”指令（指令（*为相对寻址特征）的为相对寻址特征）的信息流程图。设另一个操作数和结果存于信息流程图。设另一个操作数和结果存于ACC中，并假设中，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，并且流程图中突出排一下信息流程图，并且流程图中突出寻址过程寻址过程的实现。的实现。ADD *-5指令信息流程图如下：指令信息流程图如下：取指令（可省）取指令（可省）取指令（可省）取指令（可省）寻址计算：寻址计算：寻址计算：寻址计算：EA=(PC)-5EA=(PC)-5=4000H+FFFBH=4000H+FFFBH=3FFBH=3FFBHEA EA MARMAR，读，读，读，读 M(EA)M(EA)MDRMDR(ACC)+(MDR)(ACC)+(MDR)ACCACC A A A A （公操作）（公操作）（公操作）（公操作）14.设设相对寻址相对寻址的转移指令占的转移指令占两个两个字节，字节，第一个字节是操作码，第二个字节是第一个字节是操作码，第二个字节是相对位相对位移量移量，用，用补码补码表示。假设当前转移指令第一表示。假设当前转移指令第一字节所在的地址为字节所在的地址为2000H，且，且CPU每取出一个每取出一个字节便字节便自动完成（自动完成（PC）+1PC的操作。试问的操作。试问当执行当执行“JMP *+8”和和“JMP *-9”指令时，转移指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？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解：据题意，相对寻址的转移指令格式如下：如下：OPOPA A2000H2000H2001H2001H2002H2002H 当执行当执行JMP指令时，指令时，指令第二字节的内容不变指令第二字节的内容不变，PC的内容变为的内容变为2002H。此时转移指令第二字节内容。此时转移指令第二字节内容各为：各为：A1=+8=0000 1000=08H A2=-9=1111 0111=F7H 其有效地址各为：其有效地址各为：EA1=(PC)+8=2002H+0008H =200AH EA2=(PC)9=2002H+FFF7H =1FF9H 16.某机主存容量为某机主存容量为4M 16位位，且存储字，且存储字长长等于等于指令字长，若该机指令系统可完成指令字长，若该机指令系统可完成108种种操作，操作码位数操作，操作码位数固定固定，且具有直接、间接、，且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等变址、基址、相对、立即等六种寻址方式六种寻址方式，试，试回答以下问题。回答以下问题。（1）画出）画出一地址指令格式一地址指令格式并指出各字段的并指出各字段的作用。作用。（2）该指令）该指令直接寻址直接寻址的最大范围。的最大范围。（3）一次一次间接寻址和间接寻址和多次多次间接寻址的寻址间接寻址的寻址范围。范围。（4）立即数立即数的范围（十进制表示）。的范围（十进制表示）。（5）相对寻址的位移量（十进制表示）。）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中哪一种）上述六种寻址方式的指令中哪一种执行时间最短，哪一种最长，为什么？哪一执行时间最短，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种便于程序浮动，哪一种最适合处理数组问题？题？（7）如何修改指令格式，使指令的寻址）如何修改指令格式，使指令的寻址范围可扩大到范围可扩大到4M？（8）为使一条转移指令能转移到主存的）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。任一位置，可采取什么措施？简要说明之。解：（解：（1）单字长一地址指令）单字长一地址指令格式格式：7 3 6 OP M A OP M A 各字段的作用：各字段的作用：各字段的作用：各字段的作用：OPOP操作码操作码操作码操作码字段，提供至少字段，提供至少字段，提供至少字段，提供至少108108种种种种指令操作码；指令操作码；指令操作码；指令操作码；MM寻址方式码寻址方式码寻址方式码寻址方式码字段，指出字段，指出字段，指出字段，指出6 6种寻址种寻址种寻址种寻址方式；方式；方式；方式；AA形式地址形式地址形式地址形式地址字段，给出寻址所需字段，给出寻址所需字段，给出寻址所需字段，给出寻址所需的形式地址。的形式地址。的形式地址。的形式地址。（2）A为为6位，该指令直接寻址的最大范位，该指令直接寻址的最大范围为围为26=64字字；（3）一次间址的寻址范围为）一次间址的寻址范围为216=64K字字；多次间址的寻址范围为多次间址的寻址范围为215=32K字；字；（4）立即数的范围：若采用补码表示为）立即数的范围：若采用补码表示为1FH20H；十进制表示为；十进制表示为31-32；无符号数；无符号数为为063；（5）相对寻址的位移量范围在采用补码相对寻址的位移量范围在采用补码表示时同立即数范围，为表示时同立即数范围，为31-32；（6）六种寻址方式中，）六种寻址方式中，立即寻址立即寻址指令指令执行时间最短，因为此时不需寻址；执行时间最短，因为此时不需寻址；间接寻址间接寻址指令执行时间最长，因为寻指令执行时间最长，因为寻址操作需访存一次到多次；址操作需访存一次到多次；相对寻址相对寻址便于程序浮动，因为此时操便于程序浮动，因为此时操作数位置可随程序存储区的变动而改变，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；总是相对于程序一段距离；变址寻址变址寻址最适合处理数组问题，因为最适合处理数组问题，因为此时变址值可此时变址值可自动修改而不需要修改程序。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）为使指令寻址范围可扩大到4M，需要有效地址，需要有效地址22位，此时可将单字长一位，此时可将单字长一地址指令的格式改为地址指令的格式改为双字长双字长，如下图示：，如下图示：7 3 6 OP M A OP M AA A 16 16 图中，指令的第一字图中，指令的第一字图中，指令的第一字图中，指令的第一字保持保持保持保持原来格式不变，原来格式不变，原来格式不变，原来格式不变，形式地址形式地址形式地址形式地址A A扩展扩展扩展扩展到第到第到第到第2 2个字。这样，直接寻址时，个字。这样，直接寻址时，个字。这样，直接寻址时，个字。这样，直接寻址时，EA=A=16+6=EA=A=16+6=2222位位位位，正好可访问，正好可访问，正好可访问，正好可访问4M4M地址空间。地址空间。地址空间。地址空间。由于由于由于由于A A的扩展，变址、基址、相对、立即数等的扩展，变址、基址、相对、立即数等的扩展，变址、基址、相对、立即数等的扩展，变址、基址、相对、立即数等寻址方式也扩展到寻址方式也扩展到寻址方式也扩展到寻址方式也扩展到2222位。位。位。位。（8）如使一条转移指令能转移到主存如使一条转移指令能转移到主存的的任一位置任一位置，可采用上述双字长一地址指令，可采用上述双字长一地址指令，通过通过选用合适的选用合适的寻址方式完成。寻址方式完成。（如选用直（如选用直接寻址就可转移到主存接寻址就可转移到主存任一位置任一位置，但选用相，但选用相对寻址则只能在对寻址则只能在2M范围内转移。）范围内转移。）除此之外，（除此之外，（7）、（）、（8）两题也可通过）两题也可通过段寻址方式段寻址方式达到扩大寻址空间的目的（达到扩大寻址空间的目的（此时此时不需修改指令格式不需修改指令格式）。总之，不论采取何种）。总之，不论采取何种方式，最终得到的方式，最终得到的实际地址实际地址应是应是22位位。方案二：方案二：（7）如果仍采用单字长指令（）如果仍采用单字长指令（16位）位）格式，格式，为使指令寻址范围扩大到为使指令寻址范围扩大到4M，可通，可通过过段寻址段寻址方案实现。安排如下：方案实现。安排如下：硬件设硬件设段寄存器段寄存器DS（16位），用来存放位），用来存放段地址段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后，得有效地址操作后，得有效地址EA（16位），再由硬位），再由硬件件自动自动完成段寻址，最后得完成段寻址，最后得22位物理地址位物理地址。物理地址物理地址=（DS）26+EA 注：注：段寻址方式由硬件隐含实现。在编段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬产生之后由硬件自动完成，对用户是透明的。件自动完成，对用户是透明的。方案三：方案三：（7）在采用单字长指令（）在采用单字长指令（16位）格式时，位）格式时，还还可通过可通过页面寻址页面寻址方案使指令寻址范围扩大到方案使指令寻址范围扩大到4M。安排如下：。安排如下：硬件设硬件设页面寄存器页面寄存器PR（16位），用来存放位），用来存放页面地址页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当。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需要使指令寻址范围扩大到4M时，编程选择时，编程选择页面寻址页面寻址方式，则：方式，则：EA=（PR）A（有效地址（有效地址=页面地址页面地址“拼接拼接”6位形式地址）位形式地址）这样得到这样得到22位有效地址。位有效地址。通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区别：别：1）基址寻址的基地址一般比较长（）基址寻址的基地址一般比较长（存存储器地址位数），位移量比较短（储器地址位数），位移量比较短（=形式地址形式地址位数），相加后得到的有效地址长度位数），相加后得到的有效地址长度=基地址基地址长度。此时主存不分段。长度。此时主存不分段。实际地址实际地址=有效地址有效地址=基地址基地址+位移量位移量 段寻址是基址寻址的一种变种，当基地址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，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。基地址就叫做段地址，此时主存分段。实际地址实际地址=段地址段地址 偏移量偏移量+段内位移量（有段内位移量（有效地址）效地址）2）基址寻址一般在）基址寻址一般在机器字长机器字长 存储地址长度存储地址长度的机器中，的机器中，可直接通过寻址计算获得实际地址。可直接通过寻址计算获得实际地址。在在机器字长机器字长 存储地址长度存储地址长度的机器中，由于的机器中，由于CPU内部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有效地址长度都等于机器字长，为获得更长的地址字，为获得更长的地址字，硬件硬件自动通过段寻址自动通过段寻址计算出存储器实际地址。此时除计算出存储器实际地址。此时除ALU之外，硬件还要增设专用的之外，硬件还要增设专用的地址加法器地址加法器。相关问题：相关问题：*一般：机器字长一般：机器字长=存储字长；存储字长；*CPUCPU中所有寄存器（包括基址寄存器）的位数中所有寄存器（包括基址寄存器）的位数=机器机器字长；字长；*通常：通常：指令字长不一定等于机器字长。指令字长不一定等于机器字长。早早期的小型机由于字长较短，指令常以机器字长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，如为单位变化（几字长指令，如PDP-11PDP-11机），目机），目前以字节长为单位变化（几字节指令）的较多。前以字节长为单位变化（几字节指令）的较多。习题中指令字长习题中指令字长=机器字长的假设只是为简单机器字长的假设只是为简单起见；起见；*当设当设指令字长指令字长=存储字长（存储字长（=机器字长）机器字长）时，时，如用如用立即寻址立即寻址，由于立即数由形式地址直接给，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，因出，而形式地址的位数肯定不足一个字长，因此此立即寻址非常适用于编程给出短常数立即寻址非常适用于编程给出短常数的场合。的场合。提示：提示：寻址方式的正确选择与编程技巧有寻址方式的正确选择与编程技巧有关。关。19.CPU内有内有32个个32位位的通用寄存器，设计一种能的通用寄存器，设计一种能容纳容纳64种操作种操作的指令系统。假设指令字长的指令系统。假设指令字长等于等于机器字机器字长，试回答以下问题。长，试回答以下问题。（1）如果主存可）如果主存可直接或间接直接或间接寻址，采用寻址，采用“寄存器寄存器存储器存储器”型指令，能型指令，能直接寻址直接寻址的的最大最大存储空间是多存储空间是多少？画出少？画出指令格式指令格式并说明各字段的含义。并说明各字段的含义。（2）在满足（）在满足（1）的前提下，如果采用）的前提下，如果采用通用寄存通用寄存器作基址寄存器，器作基址寄存器，则上述则上述“寄存器寄存器存储器存储器”型指令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？可访问多大的存储空间？解：解：（1）如采用）如采用RS型型指令，则此指令一定指令，则此指令一定是是二地址二地址以上的地址格式，指令格式如下：以上的地址格式，指令格式如下：6 5 1 20 OP R OP Ri i I A I A 操作码操作码操作码操作码 寄存器号寄存器号寄存器号寄存器号 间接间接间接间接 形式地址形式地址形式地址形式地址 标志标志标志标志 直接寻址的最大空间直接寻址的最大空间直接寻址的最大空间直接寻址的最大空间=2=22020=1M=1M字字字字 此指令格式的设计有较大的发挥余地，为简此指令格式的设计有较大的发挥余地，为简此指令格式的设计有较大的发挥余地，为简此指令格式的设计有较大的发挥余地，为简化设计，在此采用化设计，在此采用化设计，在此采用化设计，在此采用紧贴题意紧贴题意紧贴题意紧贴题意的答题方式，即只按的答题方式，即只按的答题方式，即只按的答题方式，即只按题意要求的因素设计，不考虑扩展因素。题意要求的因素设计，不考虑扩展因素。题意要求的因素设计，不考虑扩展因素。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）如采用基址寻址，则指令格式中应给出应给出基址寄存器号基址寄存器号，以指定哪一个通用，以指定哪一个通用寄存器用作基址寄存器。指令格式变为：寄存器用作基址寄存器。指令格式变为：6 5 1 1 5 14 OP ROP Ri i I B BR I B BRi i A A 其中：其中：其中：其中：I I、B B可省（可省（可省（可省（B B为基址寻址标志），为基址寻址标志），为基址寻址标志），为基址寻址标志），BRiBRi为基址寄存器号。基址寻址时：为基址寄存器号。基址寻址时：为基址寄存器号。基址寻址时：为基址寄存器号。基址寻址时：寻址的最大空间寻址的最大空间寻址的最大空间寻址的最大空间=2=23232=4G=4G字字字字 其寻址范围仅与基址位数有关，与形式地址位其寻址范围仅与基址位数有关，与形式地址位其寻址范围仅与基址位数有关，与形式地址位其寻址范围仅与基址位数有关，与形式地址位数无关。数无关。数无关。数无关。20.什么是什么是RISC？简述它的主要特点。？简述它的主要特点。即精简指令集计算机特点：选取使用频度高的简单指令；指令长度固定，格式少，寻址方式少；只有存数/取数指令访存，其他指令不访存；CPU内有多个通用寄存器；采用流水线技术，大部分指令一个时钟完成；控制器采用组合逻辑实现；采用优化的编译程序。2023/1/33521.试比较试比较RISC和和CISC。1.RISC更能更能 充分利用充分利用 VLSI 芯片芯片的面积的面积2.RISC 更能更能 提高计算机运算速度提高计算机运算速度指令数、指令格式、寻址方式少指令数、指令格式、寻址方式少，通用通用 寄存器多寄存器多，采用，采用 组合逻辑组合逻辑，便于实现便于实现 指令流水指令流水3.RISC 便于设计便于设计，可，可 降低成本降低成本，提高，提高 可靠性可靠性4.RISC 有效支持高级语言程序有效支持高级语言程序 5.RISC 不易不易 实现实现 指令系统兼容指令系统兼容 2023/1/336某计算机系统的指令字长为 22 位，具有无操作数、单操作数、双操作数三种指令格式，每个操作数地址为 7 位，当双操作数指令条数取最大值，而且单操作数指令条数也取最大值时，请问这三种指令最多可能拥有的指令条数总共是多少?255+127+1282023/1/337CPU的结构和功能的结构和功能第第 八八 章章 2.什么是什么是指令周期指令周期？指令周期是否有一个？指令周期是否有一个固定值固定值？为什么？为什么？解：指令周期是指一条指令从解：指令周期是指一条指令从开始取指令开始取指令直到指令执行完直到指令执行完这段时间。这段时间。由于计算机中各种指令执行所需的时间差由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此异很大，因此为了提高为了提高CPU运行效率运行效率，即使在，即使在同步控制同步控制的机器中，不同指令的指令周期长的机器中，不同指令的指令周期长度都是度都是不一致不一致的，也就是说指令周期对于不的，也就是说指令周期对于不同的指令来说同的指令来说不是一个固定值不是一个固定值。讨论：讨论：指令周期长度不一致的指令周期长度不一致的根本原因根本原因在在于设计者，为了提高于设计者，为了提高CPU运行效率而这样安排运行效率而这样安排的，与的，与指令功能不同指令功能不同及及指令实际执行时间不指令实际执行时间不同同没有什么必然关系没有什么必然关系。4.设设CPU内有下列部件：内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和和CU，要求：要求：（1）画出完成间接寻址的取数指）画出完成间接寻址的取数指令令LDAX（将主存某地址单元（将主存某地址单元X的内容的内容取至取至AC中）的数据流（从取指令开始）中）的数据流（从取指令开始）。（2）画出）画出中断周期中断周期的数据流。的数据流。解：解：CPU中的数据流向与所采用的中的数据流向与所采用的数据通路结构直接相关，数据通路结构直接相关，不同的数据不同的数据通路中的数据流是不一样的。通路中的数据流是不一样的。常用的常用的数据通路结构方式有直接连线、单总数据通路结构方式有直接连线、单总线、双总线、三总线等形式，目前大线、双总线、三总线等形式，目前大多采用多采用总线结构总线结构，直接连线方式仅适，直接连线方式仅适用于结构特别简单的机器中。用于结构特别简单的机器中。R/-WR/-W 为简单起见，本题采用为简单起见，本题采用单总线单总线将题意所给将题意所给部件连接起来，框图如下：部件连接起来，框图如下：中中中中断断断断系系系系统统统统P PC CMMA AR RMMD DR RS SP PA AC CZ ZCUCUI IR RMMA AL LU U单总线（单总线（单总线（单总线（BUSBUS）微命令序列微命令序列微命令序列微命令序列 （1）假设为）假设为一重间址一重间址，在上述数据通路中，完，在上述数据通路中，完成间接寻址的取数指令成间接寻址的取数指令LDAX的数据流如下页：的数据流如下页：LDAX指令周期流程图：指令周期流程图：说说 明明 送指令地址送指令地址CU向存储器发读令向存储器发读令（读出指令读出指令）指向下一指令地址指向下一指令地址取出指令取出指令指令译码指令译码OP=OP=？PCBUS MAR存储器读（存储器读（CU(R)M）PC+1 PCMDR MDR BUS BUS IRIR LDALDA LDA IRIR（X X）MARMAR存储器读（存储器读（存储器读（存储器读（CU(R)CU(R)MM）MDR BUS BUS ACACMDR BUS BUS MARMAR存储器读（存储器读（存储器读（存储器读（CU(R)CU(R)MM）=1?=1?Y Y（间址）（间址）（间址）（间址）N N 说说 明明形式地址形式地址形式地址形式地址X X送送送送MARMAR间接标志判断，间接标志判断，间接标志判断，间接标志判断，本题为本题为本题为本题为=1=1CUCU发读令发读令发读令发读令(读读读读EAEA)有效地址送有效地址送有效地址送有效地址送MARMAR CUCU发读令发读令发读令发读令(读数据读数据读数据读数据)数据放入数据放入数据放入数据放入ACAC指令末的公操作指令末的公操作指令末的公操作指令末的公操作直直直直接接接接寻寻寻寻址址址址（2）中断周期流程图如下：）中断周期流程图如下：说说 明明 关中断（关中断（关中断（关中断（0 0EINTEINT）SPSPBUSBUSMARMARSP+1SP+1SPSPPCPCBUSBUSMDRMDR存储器写（存储器写（存储器写（存储器写（CU(-W)CU(-W)MM）A A堆栈栈顶地址送堆栈栈顶地址送MAR修改堆栈指针修改堆栈指针断点送内存断点送内存进栈进栈 A 说说 明明SPSPBUSBUSMARMAR SP+1SP+1SPSP向量地址向量地址向量地址向量地址BUSBUSPCPCPSWPSWMDRMDR存储器写（存储器写（存储器写（存储器写（CU(-W)CU(-W)MM）ENDEND栈顶地址送栈顶地址送MAR修改栈指针修改栈指针程序状态字送内存程序状态字送内存进栈进栈转中断服务程序入口转中断服务程序入口中断周期结束中断周期结束 讨论：讨论：解这道题有解这道题有两个要素两个要素，首，首先要根据所给部件先要根据所给部件设计好数据通路设计好数据通路，既确定信息流动的既确定信息流动的载体载体。其次选择好。其次选择好描述描述数据流的方法，无论采用什么样数据流的方法，无论采用什么样的表达方式，其的表达方式，其关键关键都要能清楚地反都要能清楚地反映数据在通路上映数据在通路上流动的顺序流动的顺序，既强调，既强调一个一个“流流”字。较好的表达方式是字。较好的表达方式是流流程图程图的形式。的形式。5、中断周期前中断周期前是什么阶段？是什么阶段？中断周期后中断周期后又是什么又是什么阶段？在阶段？在中断周期中断周期CPU应完成什么操作？应完成什么操作？答：从答：从CPU机器周期的机器周期的时序时序层次来看，层次来看，中断周期前中断周期前是指令的是指令的执行执行阶段。阶段。中断周期后中断周期后是是取指令取指令阶段。在阶段。在中中断周期断周期CPU应完成应完成关中断关中断、保存断点保存断点和和转中断服务程序转中断服务程序入口入口三个操作。三个操作。16.计算机为了计算机为了管理中断管理中断，在硬件上通常有哪些，在硬件上通常有哪些设置设置？各有何？各有何作用作用？对？对指令系统指令系统有何考虑？有何考虑？解：计算机为了管理中断，在硬件上设有专门解：计算机为了管理中断，在硬件上设有专门处理中断的机构处理中断的机构中断系统中断系统。它通常。它通常包括包括：中断：中断请求寄存器、中断优先级排队器、向量编码器、中请求寄存器、中断优先级排队器、向量编码器、中断允许触发器（断允许触发器（EINT）、中断标记触发器（）、中断标记触发器（INT）、）、中断屏蔽触发器（寄存器）等。功能如下：中断屏蔽触发器（寄存器）等。功能如下：中断请求寄存器中断请求寄存器对中断源发来的一过性中对中断源发来的一过性中断请求信号进行断请求信号进行登记登记；中断优先级排队器中断优先级排队器对同时提出的多个中断对同时提出的多个中断请求信号进行请求信号进行裁决裁决，选出一个最紧迫的进行响应；，选出一个最紧迫的进行响应；向量编码器向量编码器向量中断时，用来产生向量中断时，用来产生向量向量地址地址；中断允许触发器中断允许触发器（EINT）CPU中的中的中断中断总开关总开关，完成开、关中断状态的设置；，完成开、关中断状态的设置；中断标记触发器中断标记触发器（INT）用来建立用来建立中断中断周期状态周期状态。INT=1，表示进入中断周期，即开始，表示进入中断周期，即开始执行中断隐指令；执行中断隐指令；中断屏蔽触发器中断屏蔽触发器对于可屏蔽的中断源进对于可屏蔽的中断源进行开、关中断操作，可视为各中断源的行开、关中断操作，可视为各中断源的中断分中断分开关开关；采用程序中断技术时，指令系统中往往有采用程序中断技术时，指令系统中往往有相关指令支持。常见的指令有：相关指令支持。常见的指令有：开中断、关中开中断、关中断、中断返回断、中断返回等。等。17.在中断系统中，在中断系统中，INTR、INT、EINT这三个触发这三个触发器各有何作用？器各有何作用？解：解：INTR中断请求触发器，中断请求触发器，用来用来登记登记中断源中断源发出的随机性中断请求信号，以便为发出的随机性中断请求信号，以便为CPU查询中断查询中断及中断排队判优线路提供及中断排队判优线路提供稳定的稳定的中断请求信号；中断请求信号；EINT中断允许触发器，中断允许触发器，CPU中的中的中断总开关中断总开关。当当EINT=1时，表示允许中断（开中断），当时，表示允许中断（开中断），当EINT=0时，表示禁止中断（关中断）。其状态可由开、关时，表示禁止中断（关中断）。其状态可由开、关中断等指令设置；中断等指令设置；INT中断标记触发器，中断标记触发器，控制器控制器时序系统时序系统中周中周期状态分配电路的一部分，表示期状态分配电路的一部分，表示中断周期标记中断周期标记。当。当INT=1时，进入中断周期，执行时，进入中断周期，执行中断隐指令中断隐指令的操作。的操作。讨论：讨论：回答时首先应给出该触发器的回答时首先应给出该触发器的中文名称中文名称，然后说，然后说明其明其主要作用主要作用。当进入中断周期时，当进入中断周期时，INT=1；（IN