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指令系统-7.ppt

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指 令 系 统,第 七 章,6. 某指令系统字长为16位,地址码取4位,试提出一种方案,使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。 解:三地址指令格式如下: 4 4 4 4,解题思路:以三地址指令格式为该指令系统的基本格式。以此格式为基础,采用扩展操作码技术,设计出题意所要求的地址码结构的指令。指令操作码分配方案如下:,4位OP 0000, ……, A1,A2,A3;8条三地址指令 0111, 1000,0000, ……,……, A2,A3;16条二地址指令 1000,1111, 1001,0000,0000, ……,……,……, A3;100条一地址指令 1001,0110,0011, 1001,0110,0100, ……,……,……, 冗余编码 1001,1111,1111, 可用来扩充一、零地址指令条数 1010, ……, 冗余编码 1111, 可用来扩充三、二、一、零地址指令条数,指令操作码分配方案,,,,,,7. 设指令字长为16位,采用扩展操作码技术,每个操作数的地址为6位。如果定义了13条二地址指令,试问还可安排多少条一地址指令? 解:二地址指令格式如下: 4 6 6,设二地址指令格式为该指令系统的基本格式,4位操作码共有16种编码,其中13种用来定义二地址指令,还剩3种可用作扩展标志。如不考虑零地址指令,该指令系统最多还能安排:一地址指令条数 =3×26 =192条,8. 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: 4 6 6,此时,无论指令中有几个地址,指令格式都不变。,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 ); (N/26 + M/212 向上取整) 当(N/26 + M/212 ) 1时,K最大, 则二地址指令最多有: 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)×26 - 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。,10. 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。,11. 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], (IX)+1IX,IX,,+1,IR,,,,,主存,,,IX:变址寄存器, 既可是专用寄存器, 也可是通用寄存器之一。,设一重间接,2)先间址再变址寻址过程简单示意如下: EA=(IX)+(A), (IX)+1IX,IX,,+1,IR,,,,,,,,EA,,,操作数,主存,IX:变址寄存器, 既可是专用寄存器, 也可是通用寄存器之一。,,,,,,设一重间接,注意: 1)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。,12. 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(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),注:在没有指定数据通路的情况下,此流程只是一个粗略的示意。,13. 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(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),14. 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)+1PC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= +8 = 0000 1000 = 08H A2= -9 = 1111 0111 = F7H 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4M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,试回答以下问题。 (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)一次间接寻址和多次间接寻址的寻址范围。 (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中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1FH~20H;十进制表示为31~ -32;无符号数为0~63; (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(此时不需修改指令格式)。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。 物理地址=(DS) 26 + EA 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)‖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。,通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区别: 1)基址寻址的基地址一般比较长(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。 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。 实际地址=段地址偏移量+段内位移量(有效地址),2)基址寻址一般在机器字长存储地址长度的机器中,可直接通过寻址计算获得实际地址。 在机器字长存储地址长度的机器中,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。此时除ALU之外,硬件还要增设专用的地址加法器。 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。 提示:寻址方式的正确选择与编程技巧有关。,17. 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存储器4次? 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。,19. 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,试回答以下问题。 (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)在满足(1)的前提下,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: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。,
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