计算机组成原理-练习(指令系统和CPU)课件.ppt

1、指令系统指令系统 CPU -CPU -练习练习1.某指令系统中，指令字长为16位，指令操作码采用扩展编码法，有单地址指令、双地址指令两种指令。若每个地址码均为6位，且双地址指令为A条，则单地址指令最多有多少条？解：1、双地址指令操作码长为16b26b4b，由题意，空闲24A种编码2、单地址指令操作码长为16b6b10b，可分为4b和6b两部分则单地址指令最多有(24A)26条。2.假设计算机约定主存按字节编址按字节编址，数据在存储器中采用小端次序存放小端次序存放，CPU中设置有4个通用寄存器(记为R0R3)，设置有寄存器SP指向存储器堆栈的栈顶，入栈操作时入栈操作时SP向递减方向移动向递减方向

2、移动。若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将R1入栈、出栈到R2、将R1入栈、将R2入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化，同时说明R0R2的当前值。2.若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将入栈、将R1入栈、出栈到入栈、出栈到R2、将、将R1入栈、将入栈、将R2入栈、出栈到入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化及堆栈内部的数据变化，同时说明R0R2的当前值的当前值。主存SP0FFCH0F

3、FDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H20H00H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H20H00H20H00H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H空堆栈 R0入栈 R1入栈 出栈到R2(SP)=1002H (SP)=1000H (SP)=0FFEH (SP)=1000H(R0)=0020H (R0)=0020H (R0)=0020H (R0)=0020H(R1)=0022H (R1)=0022H (R1)

4、=0022H (R1)=0022H(R2)=0024H (R2)=0024H (R2)=0024H (R2)=0022H若(SP)=1002H、(R0)=0020H、(R1)=0022H、(R2)=0024H，连续进行将R0入栈、将入栈、将R1入栈、出栈到入栈、出栈到R2、将、将R1入栈、将入栈、将R2入栈、出栈到入栈、出栈到R0操作后，请画出每一个操作后的SP及堆栈内部的数据变化及堆栈内部的数据变化，同时说明R0R2的当前值的当前值。20H00H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1

5、002H22H00H20H00H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H22H00H20H00H主存SP0FFCH0FFDH0FFEH0FFFH1000H1001H1002H22H00H20H00HR1入栈 R2入栈 出栈到R0(SP)=0FFEH (SP)=0FFCH (SP)=0FFEH(R0)=0020H (R0)=0020H (R0)=0022H(R1)=0022H (R1)=0022H (R1)=0022H(R2)=0022H (R2)=0022H (R2)=0022H3.某机器字长为16位，存储器按字编址，指令字长同机器字长。指令格

6、式如下： 5bit 3bit 8bit操作码OP寻址方式位MOD形式地址D其中，MOD=000100分别表示立即寻址立即寻址、直接寻址、间接寻址、变址寻址和相对寻址相对寻址，变址寻址只使用唯一的变址寄存器(记为RI)，形式地址D在MOD000及100时为补码表示、其余寻址方式时为无符号编码表示。（1）该指令格式能定义多少种不同的操作？立即寻址的操作数范围是多少？（2）写出各种寻址方式时，地址码对应的数据或地址表达式。（3）写出MOD=001、010、100时，能访问的最大主存区为多少个机器字。（1）由于操作码为5位，故可以定义2532种不同的操作； 由于立即寻址的D用8位补码表示，故立即寻址的

7、操作数范围为 -128+127。（2）设DDZ补，立即寻址立即寻址的地址码表示的是：操作数DZ；直接寻址直接寻址的地址码表示的是：操作数EAD；间接寻址间接寻址的地址码表示的是：操作数EAD；变址寻址变址寻址的地址码表示的是：操作数EA=(RI)+D；相对寻址相对寻址的地址码表示的是：下条指令EA=(PC)+DZ。操作码OP寻址方式位MOD形式地址D（3）MOD001(直接寻址)时，操作数EA长度D的长度8bit，可访问的主存区为28256个机器字；MOD010(间接寻址)时，操作数EA长度存储字长机器字长16bit，可访问的主存区为21664K个机器字；MOD100(相对寻址)时，下条指令E

8、A长度maxPC的长度，D的长度max16bit，8bit16bit，可访问的主存区为21664K个机器字。4.设某机配有基址寄存器和变址寄存器，采用一地址格式的指令系统，允许直接和间接寻址，且指令字长、机器字长和存储字长存储字长均为16位。（1）若采用单字长指令，共能完成105种操作，则指令可直接寻址的范围是多少？一次间址的寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段的含义。（2）若存储字长不变，可采用什么方法直接访问容量为16MB的主存？（1）在单字长指令中，根据能完成105种操作，操作码取7位。因允许直接和间接寻址，且有基址寄存器和变址寄存器，故取2位寻址特征位，其指令格式如下：操作码OP

9、寻址方式位MOD形式地址D7位2位7位直接寻址的范围为27128，一次间接寻址的寻址范围为21664K=65536（2）16MB=16M*8位=8M*16位，存储字长16位，所以寻址的范围为8M，地址的位数应为23位，如果采用单字长指令是无法满足的，可以采用双字长指令，操作码和寻址特征位均不变，格式如下(其中，形式地址为D1/D2，共7+16=23位，满足要求)操作码OP寻址方式位MOD形式地址D1D2ALU状态REGabcdAC+“1”微操作信号形成部件主存储器MM图 CPU结构 5.CPU结构如图所示，ad为4个寄存器，各部分之间的连线为数据通路，箭头表示信息传送方向。（1）说明图中ad这

10、4个寄存器的名称。（2）简述从开始取指令到产生控制信号的数据流动的过程。解：（1）a为存储器数据寄存器(MDR)，b为指令寄存器(IR)，c为存储器地址寄存器(MAR)，d为程序计数器(PC)。（2） PCMAR； MARMM，ReadMM，(PC)+1PC； MMMDR； MDRIR； IR微操作信号形成部件。指令系统习题选择题：1、指令系统中采用不同寻址方式的目的主要 是： A. 实现存储程序和程序控制。 B. 缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性。 C. 可以直接访问内存。 D. 提供扩展操作码的可能，并降低指令译码难度。2、单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个

11、操作数外，另一个数常需采用： A. 堆栈寻址方式。 B. 立即寻址方式。 C. 隐含寻址方式。 D. 间接寻址方式。3、二地址指令中，操作数的物理位置可安排在 A. 栈顶和次栈顶。 B. 两个主存单元。 C. 一个主存单元一个寄存器。 D. 两个寄存器。CBCD从操作数的物理位置来说，可把二地址指令可归结为三种类型：n存储器存储器-存储器存储器（SS）型指令：参与操作的数都放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中。因此机器执行这种指令需要多次访问内存。n寄存器寄存器-寄存器寄存器（RR）型指令：需要多个通用寄存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作结果放到另一寄

12、存器中。机器执行这种指令的速度很快，不需要访问内存。n寄存器寄存器-存储器存储器（RS）型指令：执行此类指令，既要访问内存单元，又要访问寄存器 4、对某个寄存器中操作数的寻址方式称为： A. 直接寻址。 B. 间接寻址。 C. 寄存器寻址。 D. 寄存器间接寻址。5、寄存器间接寻址方式中，操作数处在： A. 通用寄存器。 B. 主存单元。 C. 程序计数器。 D. 堆栈。6、变址寻址方式中，操作数的有效地址等于： A. 基址寄存器内容加上形式地址。 B. 堆栈指示器内容加上形式地址。 C. 变址寄存器内容加上形式地址。 D. 程序计数器内容加上形式地址。CBC8、程序控制类指令的功能是： A.

13、 进行算术运算和逻辑运算。 B. 进行主存与CPU之间的数据传送。 C. 进行CPU和I/O设备之间的数据传送。D. 改变程序执行的顺序。9、下列几项中，不符合RISC指令系统的特点是： A. 指令种类少，译码简单。 B. 寻址方式种类尽量减少，指令功能尽可能强。 C. 增强寄存器的数目，以尽量减少访存次数。 D. 选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令。DB10、下面关于RISC技术的描述中，正确的是： A. 采用RISC技术后，计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。 B. 为了实现兼容新设计的RISC是从原来的CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的。 C. RI

14、SC的主要目标是减少指令数。 D. RISC设有乘除法指令和浮点运算指令。C填空题1、一台计算机所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。2、指令格式是指令用二进制代码表示的结构形式，指令格式有操作码字段和地址码字段组成。3、指令操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址4、寻址方式按操作数的物理位置不同，多使用RR型和RS型，前者比后者执行速度快。5、数据寻址方式有：隐含、立即数、直接、间接、寄存器、寄存器间接、相对、基址、变址寻址等多种。6、堆栈是一种特殊的数据寻址方式，它采用先进后出原理。7、隐含寻址是指令格式中不明确给出操作数地址，而是隐含指定，通常以累加器作

15、为隐含地址。立即寻址是指令的地址字段指出的不是操作数地址，而是操作数本身。指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。OP源寄存器变址寄存器位移量（16位）解：指令格式与寻址方式特点如下：A.双字长二地址指令，用于访问存储器。操作码字段可指定64种操作。B.型指令，一个操作数在寄存器中，另一个操作数在主存中。C.有效地址可通过变址寻址求得，即有效地址等于变址寄存器内容加上位移量。03471015判断题1、执行指令时，下一条指令在内存中的地址存放在指令寄存器中。 2、没有设置乘除指令的计算机系统中，就不能实现乘除运算。 3、程序计数器用来指示从内存中取指令。4、内存地址寄存器用来从内存中

16、取数据。5、计算机指令是指挥CPU进行操作的命令，指令通常由操作码和地址码组成。6、浮点运算指令对用于科学计算的计算机是很必要的，可以提高机器的运算速度。7、不设置浮点运算指令的计算机，就不能用于科学计算。 8、兼容机之间的指令系统是相同的，但硬件的实现方法可以不同。 9、处理大量输入输出数据的计算机，一定要设置十进制运算指令。 10、一个系列中的不同型号计算机，保持软件向上兼容的特点。 11、在计算机指令系统中，真正必须的指令数是不多的，其余的都是为了提高机器速度和便于编程而引入的。 12、扩展操作码是一种优化技术，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址的指令可以具有不同长度的操作码。13、转移类指令能改变指令执行顺序，因此，执行之类指令时，PC和SP的值都将发生变化。 14、RISC的主要设计目标时减少指令数，降低软、硬件开销。 15、采用RISC技术后，计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。16、RISC没有乘除指令和浮点运算指令。