計算機組成原理課后答案（高教版）課件

1.什么叫機器指令？什么叫指令系統(tǒng)？為什么說指令系統(tǒng)與機器的主要功能以及與硬件結(jié)構(gòu)之間存在著密切的關(guān)系？答：機器指令：把每一條機器語言的語句叫機器指令。指令系統(tǒng)：將全部機器指令的集合叫做機器的指令系統(tǒng)機器的指令系統(tǒng)集中反映了機器的功能計算機設(shè)計者主要研究如何確定機器的指令系統(tǒng)，如何用硬件電路，芯片，設(shè)備來實現(xiàn)機器指令系統(tǒng)的功能，計算機的使用者則是依據(jù)機器提供的指令系統(tǒng)，使用匯編語言來編制各種程序。計算機使用者根據(jù)機器指令系統(tǒng)所描述的機器功能，能很清楚地了解計算機內(nèi)部寄存器-存儲器的結(jié)構(gòu)。以及計算機能直接支持的各種數(shù)據(jù)類型。8/9/202311.什么叫機器指令？什么叫指令系統(tǒng)？為什么說指令系統(tǒng)與機器的2.什么叫尋址方式？為什么要學習尋址方式？答：尋址方式實質(zhì)確定本條指令的數(shù)據(jù)地址，以及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法，他與硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且也直接影響指令格式和指令功能。8/9/202322.什么叫尋址方式？為什么要學習尋址方式？答：8/8/2023.什么是指令字長、機器字長和存儲字長？答：指令字長即指機器指令中含二進制代碼的總位數(shù)。存儲字長即指存儲單元中二進制代碼的個數(shù)。機器字長即指CPU中寄存器的位數(shù)。三這位數(shù)可以相等，也可以不等。8/9/202333.什么是指令字長、機器字長和存儲字長？答：8/8/2024.零地址指令的操作數(shù)來自哪里？一地址指令的另一個操作數(shù)地址通常可采取什么尋址方式獲得？各舉一例說明。答：零地址指令的操作數(shù)來自ACC，為隱含約定。在一地址指令中，另一個操作數(shù)的地址通常可采用ACC或者SP隱含尋址方式獲得。8/9/202344.零地址指令的操作數(shù)來自哪里？一地址指令的另一個操作數(shù)地址5.對于二地址指令而言，操作數(shù)的物理地址可安排在什么地方？舉例說明。答：對于二地址指令而言，操作數(shù)的物理地址可安排在寄存器內(nèi)、指令中或內(nèi)存單元內(nèi)等。8/9/202355.對于二地址指令而言，操作數(shù)的物理地址可安排在什么地方？舉6.某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該指令系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。

解：三地址指令格式如下：

4444OPA1A2A3

解題思路：以三地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式。以此格式為基礎(chǔ)，采用擴展操作碼技術(shù)，設(shè)計出題意所要求的地址碼結(jié)構(gòu)的指令。

指令操作碼分配方案如下：8/9/202366.某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，4位OP

0000，

……，A1，A2，A3；8條三地址指令

0111，

1000，0000，

……，……，A2，A3；16條二地址指令

1000，1111，

1001，0000，0000，

……，……，……，A3；100條一地址指令

1001，0110，0011，

1001，0110，0100，

……，……，……，

冗余編碼

1001，1111，1111，可用來擴充一、零地址指令條數(shù)

1010，

……，

冗余編碼

1111，可用來擴充三、二、一、零地址指令條數(shù)指令操作碼分配方案8/9/202374位OP

0000，

……，A1，A2，A3；8條7.設(shè)指令字長為16位，采用擴展操作碼技術(shù)，每個操作數(shù)的地址為6位。如果定義了13條二地址指令，試問還可安排多少條一地址指令？

解：二地址指令格式如下：

466OPA1A2

設(shè)二地址指令格式為該指令系統(tǒng)的基本格式，4位操作碼共有16種編碼，其中13種用來定義二地址指令，還剩3種可用作擴展標志。如不考慮零地址指令，該指令系統(tǒng)最多還能安排：

一地址指令條數(shù)=3×26=192條8/9/202387.設(shè)指令字長為16位，采用擴展操作碼技術(shù)，每個操作數(shù)的地8.某機指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼為6位，設(shè)操作碼長度固定，指令分為零地址、一地址和二地址三種格式。若零地址指令有M種，一地址指令有N種，則二地址指令最多有幾種？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾種？解：1）若采用定長操作碼時，二地址指令格式如下：設(shè)二地址指令有K種，則：K=24-M-N，當M=1，N=1時，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1=14種2）若采用變長操作碼時，二地址指令格式仍如上圖所示，但操作碼長度可隨地址碼的個數(shù)而變。此時，K=24-（N/26+M/212）,（N/26+M/212向上取整），當（N/26+M/212）<=1時，K最大，則二地址指令最多有：Kmax=16-1=15種（只留一種編碼作擴展標志用）。8/9/202398.某機指令字長16位，每個操作數(shù)的地址碼為6位，設(shè)操作碼9.試比較間接尋址和寄存器間接尋址。間接尋址和寄存器間址都可擴大尋址范圍，他們形成有效地址的方式類似：間址需通過訪存（若是多次間址還需多次訪存）得到有效地址；寄存器間址需通過訪問存儲器得到有效地址，因有效地址放于寄存器中，故比間接尋址少一次訪存。8/9/2023109.試比較間接尋址和寄存器間接尋址。間接尋址和寄存器間址都10.試比較基址尋址和變址尋址。解：比較如下：1）都可有效地擴大指令尋址范圍。2）基址尋址時，基準地址由基址寄存器給出，地址的改變反映在位移量A的取值上；變址尋址時，基準地址由A給出，地址的改變反映在變址值的自動修改上，變址值由變址寄存器給出。3）基址寄存器內(nèi)容通常由系統(tǒng)程序設(shè)定，變址寄存器內(nèi)容通常由用戶設(shè)定。4）基址尋址適用于程序的動態(tài)重定位，變址尋址適用于數(shù)組或字符串處理，適用場合不同。8/9/20231110.試比較基址尋址和變址尋址。8/8/20231111.畫出先變址再間址及先間址再變址的尋址過程示意圖。

解：1）先變址再間址尋址過程簡單示意如下：

EA=[(IX)+A]，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作數(shù)主存IX：變址寄存器，既可是專用寄存器，也可是通用寄存器之一。設(shè)一重間接8/9/20231211.畫出先變址再間址及先間址再變址的尋址過程示意圖。

解2）先間址再變址尋址過程簡單示意如下：

EA=(IX)+(A)，(IX)+1IXIXOPMA+1ALUIREA操作數(shù)主存IX：變址寄存器，既可是專用寄存器，也可是通用寄存器之一。設(shè)一重間接8/9/2023132）先間址再變址尋址過程簡單示意如下：

EA=(12.畫出“SUB@R1”指令對操作數(shù)的尋址及減法過程的流程圖。設(shè)被減數(shù)和結(jié)果存于ACC中，@表示間接尋址，R1寄存器的內(nèi)容為2074H。

解：SUB@R1指令尋址及減法過程的流程圖：取指令（省）尋址操作：寄存器間址EA=(R1)=2074HEAMAR，讀

M(EA)MDR(ACC)-(MDR)ACCAA（公操作）

注：在沒有指定數(shù)據(jù)通路的情況下，此流程只是一個粗略的示意。8/9/20231412.畫出“SUB@R1”指令對操作數(shù)的尋址及減法過程13.畫出執(zhí)行“ADD*-5”指令（*為相對尋址特征）的信息流程圖。設(shè)另一個操作數(shù)和結(jié)果存于ACC中，并假設(shè)（PC）=4000H。

解：由于本題未指定數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，因此只能大概地排一下信息流程圖，并且流程圖中突出尋址過程的實現(xiàn)。

ADD*-5指令信息流程圖如下：取指令（省）尋址計算：EA=(PC)-5=4000H+FFFBH=3FFBHEAMAR，讀

M(EA)MDR(ACC)+(MDR)ACCAA（公操作）8/9/20231513.畫出執(zhí)行“ADD*-5”指令（*為相對尋址特征）14.設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，第二個字節(jié)是相對位移量，用補碼表示。假設(shè)當前轉(zhuǎn)移指令第一字節(jié)所在的地址為2000H，且CPU每取出一個字節(jié)便自動完成（PC）+1的操作。試問當執(zhí)行JMP*+8和JMP*-9指令時，轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)的內(nèi)容各為多少？解：據(jù)題意，相對尋址的轉(zhuǎn)移指令格式如下：當執(zhí)行JMP指令時，指令第二字節(jié)的內(nèi)容不變，PC的內(nèi)容變?yōu)?002H。此時轉(zhuǎn)移指令第二字節(jié)內(nèi)容各為：A1=+8=00001000=08HA2=-9=11110111=F7H其有效地址各為：EA1=(PC)+8=2002H+0008H=200AHEA2=(PC)–9=2002H+FFF7H=1FF9HOPA2000H2001H2002H8/9/20231614.設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，15.一相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占3個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，第二、三字節(jié)是相對位移量，而數(shù)據(jù)在存儲器中以高字節(jié)地址為字地址的存儲方式。假設(shè)當前PC值是4000H。試問當結(jié)果為0，執(zhí)行JZ*+35和JZ*-17指令時，該指令第二、三字節(jié)的機器代碼各為多少？解：據(jù)題意，相對尋址的轉(zhuǎn)移指令格式如下：當執(zhí)行JZ指令時，指令第二三字節(jié)的內(nèi)容不變，PC的內(nèi)容變?yōu)?003H。此時轉(zhuǎn)移指令第二三字節(jié)內(nèi)容各為：A1=+35=100011=23HA2=-17=-10001=11101111=EFH其有效地址各為：EA1=(PC)+35=4003H+0023H=4026HEA2=(PC)–17=4003H+FFEFH=3FF2HOP0023H4000H4001H4002H4003HOPFFHEFH4000H4001H4002H4003H8/9/20231715.一相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占3個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，16.某機主存容量為4M×16位，且存儲字長等于指令字長，若該機指令系統(tǒng)能完成108種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有直接、間接、變址、基址、相對、立即等六種尋址方式。試回答：（1）畫出一地址指令格式并指出各字段的作用；（2）該指令直接尋址的最大范圍；（3）一次間址和多次間址的尋址范圍；（4）立即數(shù)的范圍（十進制表示）;（5）相對尋址的位移量（十進制表示）；（6）上述六種尋址方式的指令哪一種執(zhí)行時間最短？哪一種最長？為什么？哪一種便于程序浮動？哪一種最適合處理數(shù)組問題？（7）如何修改指令格式，使指令的尋址范圍可擴大到4M？（8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采取什么措施？簡要說明之。解：（1）單字長一地址指令格式：OP——操作碼字段，提供至少108種指令操作碼；M——尋址方式碼字段，指出6種尋址方式；A——形式地址字段，給出尋址所需的形式地址。8/9/20231816.某機主存容量為4M×16位，且存儲字長等于指令字長（2）A為6位，該指令直接尋址的最大范圍為26=64字；（3）一次間址的尋址范圍為216=64K字；多次間址的尋址范圍為215=32K字；（4）立即數(shù)的范圍：若采用補碼表示為1FH~20H；十進制表示為+31~-32；無符號數(shù)為0~63；（5）相對尋址的位移量范圍在采用補碼表示時同立即數(shù)范圍，為+31~-32；（6）立即尋址指令執(zhí)行時間最短，因為此時不需尋址；

間接尋址指令執(zhí)行時間最長，因為尋址操作需訪存一次到多次；

相對尋址便于程序浮動，因為此時操作數(shù)位置可隨程序存儲區(qū)的變動而改變，總是相對于程序一段距離；

變址尋址最適合處理數(shù)組問題，因為此時變址值可自動修改而不需要修改程序。8/9/202319（2）A為6位，該指令直接尋址的最大范圍為26=64字；8/（7）為使指令尋址范圍可擴大到4M，需要有效地址22位，此時可將單字長一地址指令的格式改為雙字長，形式地址A擴展到第2個字。這樣，直接尋址時，EA=A=16+6=22位正好可訪問4M地址空間。由于A的擴展，變址、基址、相對、立即數(shù)等尋址方式也擴展到22位。（8）如使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采用上述雙字長一地址指令，通過選用合適的尋址方式完成。（如選用直接尋址就可轉(zhuǎn)移到主存任一位置，但選用相對尋址則只能在±2M范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移。）除此之外，后兩題也可通過段尋址方式達到擴大尋址空間的目的（此時不需修改指令格式）?？傊?，不論采取何種方式，最終得到的實際地址應(yīng)是22位。8/9/202320（7）為使指令尋址范圍可擴大到4M，需要有效地址22位，此時17.舉例說明哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段不訪問存儲器？哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段只需訪問一次存儲器？完成什么樣的指令，包括取指令在內(nèi)共訪問4次存儲器？解：舉例如下：1）一地址指令在執(zhí)行階段不訪存的尋址方式有：寄存器尋址、立即尋址。2）一地址指令在執(zhí)行階段只訪存一次的尋址方式有：寄存器間接尋址、直接尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址、頁面尋址。3）包括取指在內(nèi)共訪存四次的指令有：二重間址的一地址指令；一重間址的二地址指令，當另一操作數(shù)采用直接、基址、變址、相對、頁面、寄存器間接尋址時。8/9/20232117.舉例說明哪幾種尋址方式在指令的執(zhí)行階段不訪問存儲器？18.某機器共能完成78種操作，若指令字長為16位，試問一地址格式的指令地址碼可取幾位？若想指令尋址范圍擴大到216，可采取什么方法？舉出三種不同的例子加以說明。解：64<78<128，所以操作碼最少要取7位，則地址碼最多取9位。若想尋址范圍擴大到216，則可以采取雙字長指令、間接選址、寄存器間接尋址等方法。8/9/20232218.某機器共能完成78種操作，若指令字長為16位，試問一地19.某CPU內(nèi)有32個32位的通用寄存器，設(shè)計一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長等于機器字長，試回答：（1）如果主存可直接或間接尋址，采用“寄存器—存儲器”型指令，能直接尋址的最大存儲空間是多少？畫出指令格式并說明各字段的含義。（2）滿足（1）前提下，采用通用寄存器作基址寄存器，則上述“寄存器—存儲器”型指令的指令格式有何特點？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲空間？解：（1）如采用RS型指令，則此指令一定是二地址以上的地址格式，直接尋址的最大空間=220=1M字（2）如采用基址尋址，則指令格