第0章硬件部分试题分析和解题方法

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姻闹逄
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1 计算机专业研究生入学考试全真题解 (2003 版 ) 硬件分册介绍与预览 2003 版全真题解丛书进行的改进目录硬件分册目录 1 硬件分册第 0 章 4 结构方面 : 1: 改变了原书的例题循序, 对所有题目进行了深入地分析, 寻找到内在联系, 按找合理的顺序组织例题, 这样使读者在复习的时候, 可以找到循序渐进, 深入浅出的感觉 2:

com.cn 内容方面 : 3: 针对每一科目, 增加了第 0 章试题分析和解题方法的总体指导, 提纲挈领地为大家分析了该科目试题的特点和解题方法的指导 4: 根据读者建议, 增了根据学校和年份的试题索引, 使读者可以方便地找出某所学校某一年的试题有的学校的题目不足一张完整的试卷, 是因为我们觉得有些题目过于雷同, 就没有加入, 凡是有新

1 1 计算机专业研究生入学考试全真题解 (2003 版 ) 硬件分册介绍与预览 2003 版全真题解丛书进行的改进目录硬件分册目录 1 硬件分册第 0 章 4 结构方面 : 1: 改变了原书的例题循序, 对所有题目进行了深入地分析, 寻找到内在联系, 按找合理的顺序组织例题, 这样使读者在复习的时候, 可以找到循序渐进, 深入浅出的感觉 2: 对于例题的讲解, 我们增加了深入的分析, 使读者可以了解到整个题目的分析过程和需要注意的地方, 而不仅仅是给出答案而已这对于广大复习者来说, 是很有帮助的硬件分册部分内容预览 9 更多信息价格 :34.00 元网站 : 编者信箱 :books@artech.com.cn 责任编辑信箱 :wangwenjuan@ptpress.com.cn 内容方面 : 3: 针对每一科目, 增加了第 0 章试题分析和解题方法的总体指导, 提纲挈领地为大家分析了该科目试题的特点和解题方法的指导 4: 根据读者建议, 增了根据学校和年份的试题索引, 使读者可以方便地找出某所学校某一年的试题有的学校的题目不足一张完整的试卷, 是因为我们觉得有些题目过于雷同, 就没有加入, 凡是有新意的题目我们都收录了 5: 增加了近两年的一些最新题目形式方面 : 6: 各科目单独成册 ( 硬件理论仍保持一册 ) 7: 这次版式安排接受读者的建议, 尽量把内容安排紧凑, 并删除了 2002 年版中关于招生信息的附录, 将这部分内容放到我们的网站上, 供读者下载更多信息请访问网站 :

2 目录第 0 章硬件部分试题分析和解题方法硬件科目简介硬件科目的考试特点考试的常考题型...3 第 1 篇数字逻辑第 1 章数制和编码主要内容概述基本概念不同数制之间的相互转换真题详细解析 10 第 2 章逻辑代数主要内容概述逻辑代数的基本公式和规则公式化简法卡诺图化简法真题详细解析 25 第 3 章集成门电路与触发器主要内容概述基本逻辑电路集成门电路触发器真题详细解析 44 第 4 章组合逻辑电路主要内容概述真题详细解析 73 第 5 章时序逻辑电路主要内容概述真题详细解析 92 1

3 第 6 章存储器和可编程器件主要内容概述真题详细解析 120 第 2 篇计算机组成原理第 7 章数据编码与运算方法主要内容概述常考知识点及复习方法建议真题详细解析 136 第 8 章指令系统主要内容概述常考知识点及复习方法建议真题详细解析 168 第 9 章 CPU 组成主要内容概述 CPU 的组成运算器控制器真题详细解析 188 第 10 章计算机总线主要内容概述真题详细解析 219 第 11 章输入输出系统主要内容概述常考知识点及复习方法建议真题详细解析 225 第 12 章存储系统主要内容概述真题详细解析 253 2

4 第 3 篇计算机系统结构第 13 章处理机分类主要内容概述真题详细解析 258 第 14 章 CPI 和加速比计算主要内容概述真题详细解析 269 第 15 章流水线主要内容概述真题详细解析 292 第 16 章存储结构主要内容概述存储器层次结构 Cache 的概念与组织虚拟存储器物理存储器组织真题详细解析 314 历年试题学校与年份分类索引

5 第 0 章硬件部分试题分析和解题方法本书包括数字逻辑计算机组成原理和系统结构三个部分下面分别对这 3 个科目的特点进行简单的介绍, 然后结合以往的试题进行分析 0.1 硬件科目简介 1. 数字逻辑数字逻辑是计算机组成原理和计算机体系结构的基础, 因此一些学校把数字逻辑作为研究生入学考试的科目之一通常情况下, 数字逻辑与组成原理系统结构合成一张试卷进行考试数字逻辑是实践性很强的学科, 如果有条件的话, 最好做一些简单的实验, 验证一下自己的想法对于参加研究生入学考试的考生来说, 这门课的复习重点是掌握基本概念, 特别是一些概念的内涵原理和应用另外, 逻辑电路的设计过程和设计方法也是本课程的重点具体来说, 考生须掌握基本逻辑公式卡诺图和公式化简法基本门电路和触发器的输入输出关系逻辑表示各项性能参数定义, 以及各种组合电路和时序电路的分析和设计 2. 计算机组成原理计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心专业基础课, 是计算机硬件体系课程中的入门课它在先导的数字逻辑和后继的系统结构之间起着承上启下的作用组成原理课要解决的问题并不是仅仅熟悉某一具体的计算机机型的结构和组成, 而是要站在一个全局的高度来分析数字计算机系统这一复杂的电子设备的结构和实现原理, 因此, 在数字计算机发展的过程中所出现的每一种技术和机制都是组成原理所要分析的对象它将不同时代和不同规模的计算机中所共有的技术抽象出来, 从而勾勒出数字计算机系统组成和结构的发展过程由于计算机组成原理在整个计算机专业课程占了较重要的地位, 很多院校的研究生入学考试的专业课考核中, 都把组成原理列为考查科目组成原理是一门偏重硬件的课程, 各院校的指定教材和考试大纲有着一定的差别考生在复习的时候应该把握报考院校的考试习惯和命题的侧重点, 做到有的放矢的复习 3. 系统结构系统结构是开设了计算机体系结构研究方向的院校的研究生入学考试的重要考试科目想要把握计算机, 特别是高性能计算机的发展方向, 必须认真学习此课程系统结构课程的特点是理论性比较强它不像组成原理一样, 很容易就可以从具体机型 4

6 中得到直观的印象一般条件下考生很少能接触到大规模并行指令流水线等内容, 只能从书中得到抽象的印象, 所以需要考生有比较强的想象力在复习系统结构时一定要抓住核心内容一般来说, 体系结构课程的核心包括与并行相关的概念在构成计算机系统的每个层次上, 都可以看到并行概念的体现, 比如存储系统中的交叉存取结构与处理机内部的流水线, 多计算机系统中的并行等还有一个重点就是存储系统的层次结构另外, 我们需要了解如何在成本与可获得的性能之间进行折中复习时, 做一些有代表性的题对于加深对概念的理解十分重要 4. 组成原理与系统结构之间的区别和联系系统结构和组成原理比较起来显得更难于掌握一些, 系统结构的内容比较抽象, 组成原理的内容是比较具体的, 即便是设计指令等一些难题, 也是比较实在的 ; 而系统结构的很多内容都比较抽象, 比如关于各种处理机的比较分析, 流水线, 计算加速比等, 都需要花一些精力好好理解组成原理是基础, 特别是对于跨专业的考生, 把组成原理搞清楚, 对理解系统结构是非常有帮助的如果用一句话比较一下组成原理和系统结构之间的关系, 组成原理侧重于分解, 系统结构侧重于综合组成原理研究的是计算机的微观组成, 包括各个零件, 如何设计指令等 ; 而系统结构强调的是对计算机综合的宏观分析, 比如性能等方面从这两个指导思想出发进行复习, 会对加深理解有所帮助 0.2 硬件科目的考试特点 1. 概念多计算机专业的硬件课目, 特别是组成原理和系统结构课程的定义和概念很多, 几乎囊括了计算机硬件所有方面的概念由于组成原理是一门十分强调概念的课程, 所以各院校在研究生入学考试中, 都十分重视对概念的考查大部分组成原理课程的教科书都是分别介绍计算机的各个部分, 各章之间的联系相对较弱, 每章都是就某一结构结合其逐步发展的技术做一定的介绍, 而且各个概念之间的联系也不十分紧密因此对各章的内容应该分别掌握, 尤其要掌握和理解概念考生可以把组成原理中的概念与现有的 PC 机相联系, 以促进理解而在系统结构科目中, 更出现了加速比等评价计算机性能的概念在理解的基础上, 才能解决后面的计算题等更复杂的题目 2. 要重视电路图和逻辑框图在数字逻辑和组成原理科目中, 包含有大量具体的数字逻辑电路和数字电路的时序分析图, 将这些具体的数字逻辑电路分析清楚, 有助于更好地理解计算机硬件的实现原理由具体的逻辑电路抽象出来的逻辑框图是组成原理课的主角, 考生必须学会分析逻辑框图和运用逻辑框图来表达思想从各院校的命题特点来看, 大多数院校更重视对抽象的框图和原理的考查, 而对具体的逻辑电路考查得相对要少一些因此, 考生应重视概念原理并善于用流程图和框图将这些原理表达出来 3. 硬件结构与完成某项功能的算法相结合 5

7 计算机的硬件和软件是不可分割的, 为了完成某项任务, 人们会为硬件结构设计出相应的软件和算法组成原理考试中会涉及一些算法与相应的硬件结合的题目比如运算器和运算方法的配合, 来进行快速的算术运算和逻辑运算 ; 相联存储器和多模块交叉存储器的相应算法 ;Cache 存储器和与之匹配的地址映射替换策略以及写操作策略 ; 为解决存储空间限制而发明的基于分页和分段的虚拟存储的算法 ; 微程序控制计算机的方法和相应的微程序控制器 ; 总线仲裁电路和与之相应总线仲裁方式等这里要注意到这样一个特点, 为了完成某项功能而涉及的算法要受到具体电路和其他现实条件的制约, 计算机的组成和结构就是要在这些制约之间寻求一个平衡来达到效益的最大化 0.3 考试的常考题型 1. 概念题概念题是最常考的题型之一, 通常以填空题选择题和问答题的形式出现这是由本门课重要概念多且零散的特点决定的概念题主要集中在下面几个方面 : 一是数据的机器码的表示和范围, 主要考查对补码反码移码的定义是否清晰, 对数的表示范围是否明了二是存储器的分类方法, 考生应清楚各种分类原则下的具体分类三是几个易混淆的周期概念, 考生要弄清时钟周期机器周期指令周期和微指令周期的区别和联系四是总线的基本概念和各种连接方式信息传送方式仲裁定时和数据传送方式的特点此外, 外围设备和输入输出系统的知识点也常常以概念题的形式出现在系统结构部分, 也有大量的概念题目出现, 例如 Flynn 分类法 RISC 和 CISC 等 2. 证明题证明题主要集中在组成原理的运算器和运算方法部分包括对某数据的机器表示的证明和对运算公式的证明做这类题对各种机器码的定义要非常熟悉应严格按照报考院校所给的定义来进行推导, 不能自己想当然地推证对某运算方法的证明 ( 比如对 booth 法的证明等 ) 这类题, 难度比较大, 考生应对教材所讲的算法有清晰的认识 3. 计算题计算题经常出现在组成原理和系统结构中组成原理中计算题是最常考的题型之一它主要集中在运算方法和存储器的部分主要是定点加减法浮点加减法, 以及定点的乘除法其中原码补码一位乘不恢复余数法是经常考查的算法此外, 存储器部分的命中率的计算和段页式系统的计算也经常考到对于系统结构部分, 计算题更是大量出现, 例如计算机的 MIPS 速率 CPI 计算流水线的吞吐率计算都经常出现, 这部分题目的关键在于对概念的深刻理解, 应学会如何结合具体的题目背景, 套用适当的公式进行计算例如, 清华大学 2000 年的一道考题, 给出了一些具体的背景 : 假设某台计算机只有 Load/Store 指令能对存储器进行读 / 写操作, 其他指令只对寄存器进行操作根据程序跟踪实验结果, 已知每种指令所占的比例及 CPI 数, 见表 0.1 要求计算平均 CPI 6

8 表 0.1 指令类型 CPI 与比例指令类型指令所占比例 CPI 算逻指令 43% 1 Load 指令 21% 2 Store 指令 12% 2 转移指令 24% 2 这就是要求考生能够从具体的背景中提取出有用的信息, 并与公式中的各个量对应起来, 然后通过公式计算所要求的指标 4. 分析题数字逻辑和组成原理部分都经常出分析题数字逻辑的分析题是数字逻辑中经常出现的大题, 要求根据逻辑电路分析结果及功能等主要包括组合逻辑和时序逻辑两大类, 这些题目都有固定的解法和步骤, 最重要的就是要通过大量的练习熟练地掌握相应的固定解法, 否则在考场上很容易出错组成原理的分析题主要集中在指令系统分析, 微程序分析和模型机分析其中指令系统分析比较简单, 考生在明确寻址方式和指令格式等相关概念的基础上, 能较快分析出题目中所给的指令系统微程序分析和模型机的分析有一定的难度, 是组成原理考试中的重点和难点考生可按照本书介绍的方法一步步地进行分析对于这部分的复习, 考生应该详细分析一下教材中所给的范例, 最好是对一个较完整的模型机进行系统的分析, 有条件的考生建议做一下微程序的试验和课程设计, 这样对微程序和模型机的理解会深刻得多 5. 设计题设计题实际上是与分析题相对应的, 分析题是给出电路或者模型分析功能或者结果, 而设计题是根据要求设计出相应的电路或者模型组成原理的设计题主要集中在存储器系统的设计指令系统的设计和微程序的设计对于存储器系统的设计, 主要是考虑各引脚的连接存储芯片之间的连接和存储芯片与 CPU 的连接这部分题目的命题思路比较狭窄, 比较容易拿分, 其中一个难点是在存储器地址不连续时选片逻辑电路的设计需要考生具有一定的地址分析能力和数字逻辑电路的设计能力指令系统的设计和指令系统的分析差别不大, 是属于比较简单的一类题目, 主要要注意指令的扩展方法, 这在微程序设计中也是有用的微程序的设计是组成原理考试的一个难点对于字段的生成方法和下址的产生方式应根据题中要求合理地进行选择数字逻辑中的设计题大多数是比较死的题目, 关键在于掌握解体的套路, 在考场上按部就班地一步一步完成就可以了例如组合逻辑电路的设计问题, 解法就是先根据文字描述的设计要求列出真值表, 然后用公式化简法或卡诺图法求出最简的逻辑表达式, 最后画出逻辑电路图只要严格按照这个步骤解答, 都不会出错当然, 有的时候也会出现一些结合某些应用背景的题目, 这就需要先搞懂题目的要求是什么, 所设计的电路满足什么样的特性, 然后再加以实现例如, 北京航空航天大学曾经考过一道题目, 要求用 D 触发器实现一个如图 0.1 所示的路口的交通灯自动控制器这样的题目, 就需要仔细读懂题目的要求, 提取出其中的逻辑要求, 然后再按照固定的步骤加以实现这道题目的具体解法请参见相应的章节 7

9 Z3, 人行横道交通灯信号 Z2, 由右向左行驶车辆的交通灯信号 Z1, 由左向右行驶车辆的交通灯信号图 0.1 题目的示意图 8

10 第 8 章指令系统指令系统是计算机系统中软硬件分界的一个主要标志在计算机系统的设计与使用过程中, 硬件设计人员使用各种手段设计指令系统, 而软件设计人员则使用这些指令系统编制各种各样的系统软件与应用软件, 用以填补硬件的指令系统与人们习惯使用方式之间的语义差别在计算机系统的设计过程中, 指令系统的设计非常关键, 一般由软件设计人员和硬件设计人员共同完成在历年各院校与研究所的计算机组成原理研究生招生考试试题中, 此章所占比例非常大 8.1 主要内容概述寻址技术指寻找数据及其他信息的地址的技术, 主要内容包括编址方式寻址方式和定位方式等此外指令格式与指令设计者部分中的综合题和难题经常考的内容 1. 编址技术计算机系统中的编址技术指对各种存储设备进行编码的方法, 包含编址的单位, 零地址空间的个数等下面是编址单位和零地址空间的一些重要概念字编址字节编址零地址空间隐含编址方式 2. 寻址方式指令执行过程中通常需要操作数, 运算结果也要送到存储单元中保存, 形成操作数的有效地址的方法, 称为操作数的寻址方式以下是几种主要的寻址方式 : 隐含寻址立即数寻址址 4 类寄存器寻址寄存器间接寻址方式主存寻址, 包括直接寻址间接寻址变址寻址和相对寻 3. 指令格式与设计指令指令设计者需要考虑的 3 个重要因素是速度价格和灵活性在功能方面的最基本要求是指令系统的完整性规整性高效率和兼容性 9

11 指令格式部分的主要考查内容是指令格式的设计在设计中, 一般应遵循的原则有 4 个规整性高效率兼容性完整性 8.2 常考知识点及复习方法建议这一章包括寻址格式和指令格式两大部分寻址技术指寻找数据及其他信息的地址的技术, 主要内容包括编址方式寻址方式和定位方式等寻址技术研究的对象有寄存器主存储器堆栈和输入输出设备指令格式部分主要考查的内容是指令格式的设计, 下面是对重点复习内容的一些汇总 1. 编址技术字编址 : 每个编址单位所包含的信息量 ( 如二进制位数 ) 与访问一次设备 ( 读写一次寄存器主存储器和输入输出设备等 ) 所获得的信息量是相同的字节编址 : 为了适应非数值计算的需要, 字节编址方式可以使编址单位与信息基本单位 ( 字节 ) 相一致三个零地址空间 : 即对通用寄存器主存储器和输入输出设备进行独立编址, 每个拥有一个为 0 的地址值在这种方式中, 通用寄存器寻址只用单一的直接寻址方式, 而且编址的长度与一次访问的长度通常相同, 即采用简单的字编址方式 ; 主存储器寻址, 因为地址码长度过长, 所以寻址方式相对复杂, 必须有间接寻址和变址寻址等方式, 寻址单位与一次访问长度一般也不相同 ; 对输入输出设备寻址, 由于本身性能差别很大, 各自的编址方式很不相同, 但寻址方式较单一, 一般采用直接寻址方式两个零地址空间 : 指计算机系统中通用寄存器独立编址, 主存储器和输入输出设备统一编址这种编址方式可以简化指令系统缺点是指令执行过程复杂, 执行时间可能会加长一个零地址空间 : 所有存储设备统一编址, 如一些 DSP 芯片隐含编址方式 : 没有零地址空间比如在堆栈式计算机中, 运算指令不需要地址, 有关设备 ( 寄存器主存储器和输入输出设备 ) 不需要进行编址另外 Cache 存储器是采用联想方式访问的存储器, 是不需要编址的 2. 寻址方式指令执行过程中通常需要操作数, 运算结果也要送到存储单元中保存, 形成操作数的有效地址的方法, 称为操作数的寻址方式指令的寻址方式分为顺序寻址方式和跳跃寻址方式由于指令地址在内存中按顺序安排, 当执行一段程序时, 通常是一条指令接一条指令的顺序进行顺序寻址方式使用程序计数器来计数指令在内存中的地址当程序跳转执行时, 指令就采取跳跃寻址的方式此时下条指令的地址码不是由程序计数器给出, 而是在指令内由本条指令给出采用指令跳跃寻址方式, 可以实现程序转移或循环以下是几种主要的寻址方式及其优缺点 10

12 隐含寻址 : 指令不是明显地给出操作数的地址, 而是在指令中隐含着操作数的地址立即数寻址 : 直接在指令中给出操作数优点是不需要数据存储单元, 指令执行速度快 ; 缺点是只能用于源操作数寻址, 数据长度不能太长寄存器寻址 : 指令在执行过程中所需要的操作数来自寄存器, 运算结果也写回到寄存器中其优点是指令字短且执行速度快, 支持向量 / 矩阵运算 ; 其缺点也较明显 : 不利于编译优化现场切换, 并且硬件复杂有效地址 E=Ri 寄存器间接寻址方式 : 指令格式中的寄存器内容不是操作数, 而是操作数的地址, 该地址指明的操作数在内存中有效地址 E=(Ri) 主存寻址 : 包括直接寻址间接寻址变址寻址和相对寻址 4 类 1 直接寻址 : 在指令中直接给出参加运算的操作数及运算结果所存放的主存地址, 即在指令中直接给出有效地址有效地址 E=D 2 间接寻址 : 指令的地址字段中的形式地址是操作数的指针, 也就是在该形式地址所指向的主存单元中存放着操作数的有效地址有效地址 E=(D) 3 变址寻址 : 由指令指定的变址寄存器的内容和指令中给定的偏移量相加, 所得的结果作为操作数的有效地址有效地址 E=( 变址 R)+D 4 相对寻址 : 是把程序计数器 PC 的内容加上指令格式中的形式地址 D 而形成操作数的有效地址程序计数器的内容就是当前指令的地址有效地址 E=(PC)+D 原则上一台计算机中只要有间接寻址与变址寻址就足够了但是相比之下, 采用变址寻址方式编写的程序简单易读它们的主要差别在于 : 间接寻址方式的间接地址在主存储器中, 没有偏移量 ; 变址寻址方式基地址在变址寄存器中, 带有偏移量从实现的难度指令执行的速度以及对数组运算的支持程度上看, 间址寻址实现更简单, 但是指令执行速度慢并且对数组运算的支持不够, 变址寻址虽然需要较多的硬件, 但是由于指令执行时示访存次数少, 所以执行速度快, 同时由于它可以带偏移量, 所以对数组类型计算支持充分 3. 指令格式与指令设计指令设计者需要考虑的 3 个重要因素是速度价格和灵活性指令格式部分的主要考查内容是指令格式的设计在设计中, 一般应遵循以下 4 个原则规整性 : 硬件设计 (VLSI 技术 ) 和软件设计 ( 编译程序 ) 的需求, 尽可能减少, 甚至杜绝任何例外情况和特殊用法, 让所有运算部件都可以对称均匀地在所有数据存储单元 ( 如主存储器通用寄存器和堆栈 ) 之间进行操作, 对所有数据存储单元都能同等对待, 无论操作数还是运算结果都可以存放在任意数据存储单元内高效率 : 指令的执行速度要快, 使用频度要高考虑指令的实现方法时, 对比较复杂而必须设置的指令可以使用微程序来实现, 减少硬件复杂度兼容性 : 是计算机系统的生命力所在设计指令系统时它是必须被考虑的完整性 : 作为通用计算机所应该具备的基本指令种类, 包括 5 类 1 数据传送类指令 2 运算类指令 3 程序控制类指令 4 输入输出指令 5 处理机控制和调试指令考试中常用的出题方式是与寻址方式结合起来, 要求设计一组虚拟的指令, 或者给定指令字的长度, 通过操作码和地址码之间的配合计算出不同指令的个数我们将通过下面的例 11

13 题的分析来加深对此知识点的理解与提高解题技巧 8.3 真题详细解析 1. 寻址格式这部分需要大家熟练掌握计算机的各种编址技术和寻址方式, 比如一条指令的各个字段的功能, 以及指令之间如何相互关联等这部分经常考查的一个知识点是求解各种指令的有效地址, 需要大家熟练掌握例题 8.1 ( 中国科学院计算技术研究所 1999 年试题 ) 某计算机的字长为 16 位, 存储器按字编址, 访内存指令格式如图 8.1 所示 OP M A 图 8.1 指令格式示意图其中,OP 是操作码,M 是定义寻址方式 ( 见表 8.1),A 为形式地址设 PC 和 Rx 分别为程序计数器和变址寄存器, 字长为 16 位, 问 : 1 该格式能定义多少种指令? 2 各种寻址方式的寻址范围为多少字? 3 写出各种寻址方式的有效地址 EA 的计算式表 8.1 寻址模式表 M 值寻址方式 0 立即寻址 1 直接寻址 2 间接寻址 3 变址寻址 4 相对寻址分析第 1 小题考查的是指令字的形成方式假设操作码 OP 长度为 K 位, 则最多可以有 2 不同的操作码第 2 小题考的是某种格式编码中, 各种寻址方式可寻址的地址范围如果机器字长为 L 位, 指令的地址位长为 N, 则各寻址方式的寻址范围见表 8.2 第 3 小题与第 2 小题内容相似 K 个 12

14 表 8.2 寻址范围寻址方式立即寻址寻址范围 1 个字, 即指令字自身直接寻址 2 N 个字间接寻址 2 L 个字变址寻址 2 L 个字相对寻址 2 N 个字 (PC 值附近 256 个字 ) 解答第 1 小题解答 : 由于此指令格式使用第 11 到第 15 位来表示指令类型如果将使用不同寻址方式, 指令 (15 11) + 1 字相同的指令看成相同指令, 则总的指令类型为 2 = 32 种第 2 小题答案见表 8.3 表 8.3 寻址格式与范围寻址方式立即寻址直接寻址间接寻址变址寻址寻址范围 1 个字, 即指令字自身 256 个字 64k 字 64k 字相对寻址 256 个字 (PC 值附近 256 个字 ) 第 3 小题答案 : 各寻址方式的有效地址表达式如下寻址方式有效地址表达式 0 EA=(PC), 即操作数在指令码中 1 EA=A 2 EA=(A) 3 EA=( R x )+A 4 EA=(PC)+A 例题 8.2 ( 北京邮电大学 1999 年试题 ) 某机字长 32 位, 共有机器指令 100 条, 指令单字长, 等长操作码,CPU 内部有通用寄存器 32 个, 可作变址寄存器用, 存储器按字节编址, 指令拟用直接寻址间接寻址变址寻址和相对寻址等 4 种寻址方式 1 分别画出 4 种不同寻址方式的单地址指令的指令格式 2 采用直接寻址和间接寻址方式时, 可直接寻址的存储器的空间各是多少? 3 写出 4 种寻址方式下, 有效地址 E 的表达式 13

15 分析第 1 小题考查的是有关单地址指令的设计, 在单地址指令中只有操作码和操作数本题中的指令的操作码等长, 但为了区分总共 100 条指令, 则指令的操作码部分应该为 7 位 (2 的 7 次方 128 > 100) 第 2 小题考查的是这种指令格式下, 直接寻址和间接寻址的寻址范围由于指令操作码长度等长并且长度已知, 所以只要套用上题的公式即可解答第 3 小题 : 略解答第 1 小题解答 : 指令格式如图 8.2 所示第 2 小题解答 : 直接寻址时, 由于指令操作码占用了其中 7 位, 则剩余的 (32 7=25) 位表示指令的寻址范围当按字节编址时, 寻址范围为 32MB(2 25 ); 使用间接寻址时, 由于机器的字长为 32 位, 所以可寻址范围为 4GB(2 32 ) OP 地址值直接寻址指令 OP 地址值所在内存单元间接寻址指令 OP 地址偏移值变址寻址指令 OP 地址偏移值相对寻址指令图 8.2 指令格式示意图第 3 小题答案 : 有效地址 EA 如下所示直接寻址 :EA= 指令中的地址码间接寻址 :EA= 指令中地址码所指示的内存单元中存放的有效地址变址寻址 :EA= 变址寄存器中所包含的地址值 + 指令中地址码所表示的偏移相对寻址 :EA= 程序记数器中所包含的地址值 + 指令中地址码所表示的偏移例题 8.3 ( 中国科学院自动化研究所 1997 年试题 ) 某计算机的字长 16 位, 设有单地址指令和双地址指令两类, 若每个地址字段均为 6 位, 且双地址指令有 X 类, 问单地址指令最多可以有多少类? 分析本题考查的是指令字的构造, 为了分析的方便, 我们给出这两种机器指令字的示意图如图 8.3 所示 OP 地址码单地址指令格式 OP 地址码 1 地址码 2 双地址指令格式图 8.3 指令格式 14

16 由于题中提示每个地址码字段占 6 位, 指令字长为 16 位, 所以在单地址指令的操作码字段有 (16 6)=10 位长, 双地址指令的操作码字段有 4( = 4 ) 位为了将单地址指令和双地址指令区别开, 它们的操作码部分必须不同解答由于双地址指令总共有 X 类, 所以在 4 位操作码字段中, 还能被单地址指令使用的前 4 位指令前缀的总数为 2 4 X 单地址指令的操作码长度为 10 位, 在 4 位指令前缀之后, 余下的 (10 4=6) 位总共可以表示的不同二进制数种类为 2 6 =64 种这样单指令格式种类的计算就成了一个数学的组合问题, 单指令的种类为 (2 4 X) 2 6 类扩展这种题的出题方式还可以进一步扩展, 如加入指令的种类, 有更多种的地址码字段, 并且相互之间有一些制约关系, 此时必须看清楚题中的要求, 即不同的指令操作码是不是必须只能有固定的地址码字段比如有些指令可以有不同的地址字段, 但是操作码部分相同这时候需要更全面地考虑, 最好的办法是画出指令的格式图, 这样可以帮助领会题中要求例题 8.4 ( 中国科学院自动化研究所 1997 年试题 ) 根据操作数所在位置, 指出其寻址方式 : 操作数在寄存器中, 称为 (A) 寻址方式 ; 操作数地址在寄存器中, 称为 (B) 寻址方式 ; 操作数在指令中, 称为 (C) 寻址方式 ; 操作数地址在指令中, 为 (D) 寻址方式操作数的地址, 为某一个寄存器中的内容与位移之和, 则可以是 (E) (F) (G) 寻址方式分析这是考查对寻址方式掌握程度的最简单方式址 1 操作数在寄存器中是寄存器寻址方式 2 操作数地址在寄存器中是变址寻址方式 3 操作数在指令中是立即数寻址方式 4 操作数地址在指令中是间接寻址寻址方式 5 操作数地址为寄存器和位移之和, 此时可以是变址寻址基址寻址和基址加变址寻解答 (A) 寄存器寻址方式 (B) 变址寻址方式 (C) 立即数寻址方式 (D) 间接寻址寻址方式 (E) 变址寻址 (F) 基址寻址 (G) 基址加变址寻址例题 8.5 ( 中国科学院自动化研究所 1999 年试题 ) 假定一个 32 位微处理器, 带有一个长 32 位的指令系统, 每条指令由两部分组成, 其中 15

17 第一字节为操作码, 剩余的为立即数或立即数地址 1 可直接访问的最大内存容量是多少? 2 讨论下列两种情况对系统速度的影响 : 微处理器总线使用 32 位局部地址总线和 16 位局部数据总线微处理器总线使用 16 位局部地址总线和 32 位局部数据总线 3 程序计数器和指令寄存器需要多少位? 解答 1 可直接访问的最大内存容量为若采用 32 位局部地址总线和 16 位局部数据总线, 则需要两个访存周期才能读取一个字的数据, 从而导致系统速度下降 ; 如采用 16 位局部地址总线和 32 位局部数据总线, 这需要两个时钟周期才能把地址送出, 从而导致系统速度下降 3 指令寄存器显然应与指令字长相同, 应为 32 位而程序计数器应与可访问的主存空间相同, 应为 24 位例题 8.6 ( 中科院自动化所 1999 年, 中科院计算所 1998 年试题 ) 基址寄存器的内容为 2000H,(H 表示十六进制 ), 变址寄存器的内容为 030AH, 指令的地址码为 3FH, 当前正在执行的指令所在地址为 2B00H, 请求出变址值 ( 考虑基址 ) 和相对编址两种情况下的访存有效地址 ( 实际地址 ) 解答采用变址方式时,EA=2000H+030AH+3FH=2349H; 采用相对编址方式时,EA=2B00H+3FH=2B3FH 例题 8.7 ( 中国科学院计算技术研究所 1998 年试题 ) 在多道程序设计中, 最重要的寻址方式是 : 1 相对寻址 2 间接寻址 3 立即寻址 4 按内容寻址解答多道程序设计中最重要的寻址方式是 :1 相对寻址例题 8.8 ( 中国科学院计算技术研究所 1998 年试题 ) 某计算机的 16 位单字长访内指令格式如图 8.4 所示 OP M I X D 图 8.4 指令格式字其中 D 为形式地址, 用补码表示 ( 其中一位为符号位 ) I 为直接 / 间接寻址方式 :I=1 为间接寻址,I=0 为直接寻址 16

18 M 为寻址模式 :0 为绝对地址,1 为基地址寻址,2 为相对寻址,3 为立即寻址 X 为变址寻址设 PC R x R b 分别为指令计数器变址寄存器和基址寄存器,E 表示有效地址试解答如下问题 : 1 在非间接寻址情况下, 写出各寻址方式计算有效地址的表达式 2 设基址寄存器为 14 位, 在非变址直接基址寻址时, 确定可寻址的存储器的地址范围是多少? 3 间接寻址时, 若不允许多重间接寻址, 寻址范围是多少? 如果允许多重间接寻址, 寻址范围又是多少? 解答 1 直接寻址 :E=D 相对寻址 :E=PC+D 基址寻址 :E=R b +D 变址寻址 :E=R X +D 立即寻址 :D 即为操作数 2 可寻址范围为不允许多重间接寻址寻址范围为 2 16 允许多重间接寻址时, 由于有一位要用来区分操作数和地址, 因此寻址范围为 2 15 例题 8.9 ( 东北大学 1998 年试题 ) 填空 : 在指令中用寄存器进行寻址的有 A B C D E 和 F 等方式解答相对寻址基址寻址变址寻址寄存器间接寻址基址变址寻址复合寻址例题 8.10 ( 中国科学院计算技术研究所 1997 年试题 ) 设字长和指令长度均为 24 位, 若指令系统可完成 108 种操作, 且具有直接间接 ( 一次间址 ) 变址基址相对立即等 6 种寻址方式, 则在保证最大范围内直接寻址的前提下, 指令字中操作码占位, 寻址特征位占位, 可直接寻址的范围是, 一次间址的范围是解答 7,3,2 14,2 24 例题 8.11 ( 北京航空航天大学 1997 年试题 ) 下列指令的寻址方式为变址间接寻址, 其格式如图 8.5 所示 OP I X Disp 图 8.5 例题 8.11 其中 I 为间接寻址位,I=1 表示间接寻址,I=0 表示直接寻址 X 表示变址寄存器号 17

19 达式 ) Disp 为位移量寻址过程为先变址后间接寻址, 当 I=1 时, 操作数有效地址 EA= 解答操作数有效地址 EA=((R x )+Disp) ( 写出表例题 8.12 ( 浙江大学 1999 年试题 ) 试举出你所学过的符号汇编指令格式, 表明下列寻址方式 (1) 寄存器直接寻址 (2) 寄存器间接寻址 (3) 寄存器变址寻址 (4) 存储器直接寻址 (5)PC 相对寻址解答 (1) 寄存器直接寻址 :R(R 为寄存器 ) (2) 寄存器间接寻址 :(R) (3) 寄存器变址寻址 :(X)+A ( 其中 X 为变址寄存器,A 为指令中给出的地址码 ) (4) 存储器直接寻址 :A (5)PC 相对寻址 :(PC)+Disp 例题 8.13 ( 上海交通大学 1999 年试题 ) 用单地址指令中为了实现两个数的算术运算, 除地址码指明的一个操作数外, 另一个常采解答直接寻址方法即第二个源操作数放在一个默认的寄存器中, 通常称为累加器为零地址指令时, 通常才用堆栈寻址例题 8.14 ( 东北大学 2000 年试题 ) 选择题 : 某计算机系统主存地址 m 位, 机器字长 n 位,m>n 若指令系统采用定长指令格式指令, 则 1 寻址方式执行速度最快,2 寻址方式执行速度最慢若采用变长格式指令, 则 3 寻址方式执行速度最快,4 寻址方式执行速度最慢,5 寻址方式指令长度最长,6 寻址方式指令长度最短 A. 立即 B. 直接 C. 寄存器直接 D. 寄存器间接 E. 存储器间接解答 1 A 2 E 3 C 4 E 5 B 6 C 例题 8.15 ( 东北大学 2000 年试题 ) 18

20 选择题 : 设相对寻址的转移指令占两个字节, 第 1 字节是操作码, 第 2 字节是相对位移量 ( 用补码表示 ) 每当 CPU 从存储器取出第一个字节时, 即自动完成 (PC)+1 PC 设当前 PC 的内容为 2003H, 要求转移到 200AH 地址, 则该转移指令第 2 字节的内容应为 1 若 PC 的内容为 2008H, 要求转移到 2001H 地址, 则该转移指令第 2 字节的内容应为 2 A. 05H B. 06H C. 07H D. F7H E. F8H F. F9H 解答 1 B;2 E 2. 指令格式这部分的关键是理解设计指令时的基本知识的, 与存储器地址寻址方式的知识都紧密联系在一起, 需要大家有较强的综合运用能力例题 8.16 ( 清华大学 1997 年试题 ) 1 某计算机指令长度为 32 位, 有 3 种指令 : 双操作数指令单操作数指令无操作数指令今采用扩展操作码的方式来设计指令, 假设操作数地址为 12 位, 已知有双操作数指令 K 条, 单操作数指令 L 条, 问无操作数指令有多少条? 2 设某计算机有变址寻址间接寻址和相对寻址等寻址方式, 设当前指令的地址码部分为 001AH, 正在执行的指令所在地址为 1F05H, 变址寄存器中的内容为 23A0H, 其中 H 表示十六进制数请填充 : 当执行取数指令时, 如为变址寻址方式, 则取出的数为 ; 如为间接寻址, 取出的数为 ; 当执行转移指令时, 转移地址为已知存储器的部分地址及相应内容, 见表在计算机中, 控制程序流程变化的指令有哪些? 各在什么情况下使用? 表 8.4 存储单元地址与内容地址 001AH 1F05H 1F1FH 23A0H 23BAH 内容 23A0H 2400H 2500H 2600H 1748H 分析本题是一般性的综合题, 考查内容包括了指令格式字的设计指令的功能划分和寻址方式第 1 小题分析 : 本题与前面的例题类似, 只是稍微复杂一些, 同样我们先画出指令格式字的示意图, 如图 8.6 所示 19

21 OP 无操作数指令 OP 操作数单操作数指令 OP 操作数 1 操作数 2 双操作数指令图 8.6 指令格式由于采用扩展操作码的方式设计指令, 所以对一部分不需要操作数的指令, 可以将指令操作码扩展到操作数字段在不增加指令长度的情况下, 能充分利用指令的各个字段扩展操作码的长度, 使它可以表示更多的指令在本题中, 由于指令总长度为 32 位, 操作数地址为 12 位, 则 : 解答对于双操作数指令, 操作码长度为 ( )=8 位对于单操作数指令, 操作码长度为 ( 32 12)=20 位对于无操作数指令, 操作码长度为 32 位由于双操作数指令有 K 条, 单操作数指令有 L 条, 则它们可设计成如下形式双操作数指令操作码范围 : 00 L 0 ( K 1) 二进制数表示单操作数指令操作码范围 :( K) 00L0 ( K) ( L 1 二进制数表示二进制数表示 ) 二进制数表示无操作数指令的操作码范围 : ( K ) ( L) 00L0 ( K) ( L) 11L1 二进制数表示第 2 小题分析 : 二进制数表示二进制数表示前面两个空的内容比较直接, 第 3 空其实考查的是相对寻址第 3 小题分析 : 这是一个基本的概念题, 属于计算机基本指令类型章节设无操作数指令个数为 N, 则 [ ] N = ( 2 K) 2 L 2 二进制数表示 2 第 1 个空 : 使用变址寻址, 所以指令地址码部分是偏移值, 主地址值在寄存器中, 操作数在内存单元 (23A0H+001AH)=23BAH 中, 为 1748H 第 2 个空 : 使用间接寻址, 所以指令地址码部分是存放操作数的内存单元的地址, 即操作数的地址存放在 001AH 单元中, 因此操作数的有效地址为 2300H, 操作数为 2600H 第 3 个空 : 使用相对寻址, 所以指令地址码部分是下一条指令相对本指令所在位置的偏移当前指令所在地址为 1F05H, 所以下一条指令在 (1F05H+001AH)=1F1FH 中, 故转移地址为 (1F1FH)=2500H 3 在计算机中控制程序流程的指令主要包括 3 类 : 转移指令 ( 有条件和无条件 ) 程序调用和返回指令循环控制指令转移指令中的无条件转移指令有两种 : 一种为局部无条件转移, 采用相对寻址, 转移地址有限 ; 另一种为全局无条件转移指令, 可以转移到整个寻址空间任意位置使用条件主要是全零正负进位和溢出中断控制指令和自陷指令也属于程序调用指令中断控制指令有 : 开中断关中断改变屏蔽状态及从中断程序中返回循环指令执行的一般情况是对某一连续的数据结构或者对相同数据结构进行多次重复 20

22 的操作例题 8.17 ( 中国科学院自动化研究所 1999 年试题 ) 某指令系统字长 16 位, 每个操作数的地址码长 6 位设系统有无操作数单操作数和双操作数 3 类若双操作数指令有 M 条, 无操作数指令有 N 条, 问单操作数的指令最多可能有多少条? 解答由题意可知, 双操作数操作码应占 4 位, 单操作数操作码应占 10 位, 无操作数操作码应占 16 位双操作数指令有 M 条, 无操作数指令有 N 条, 则单操作数指令最多能可有 M 2 N / 2 条 6 例题 8.18 ( 东北大学 1998 年试题 ) 某计算机的指令系统字长定长为 16 位, 采用扩展操作码, 操作数地址需要 4 位该指令系统已有三地址指令 M 条, 二地址指令 N 条, 没有零地址指令, 问系统最多还有多少条一地址指令? 解答一地址指令最多还有 2 12 N 2 4 M 2 8 条例题 8.19 ( 中国科学院自动化研究所 1999 年试题 ) 一个 CPU 的双操作数指令格式如图 8.7 所示 OP Md Rd Ms Rs 图 8.7 例题 8.19 图 OP 为 4 位操作码,Md 和 Ms 分别为 3 位的目的和源操作数寻址方式,Rd 和 Rs 分别为 3 位的目的和源寄存器号问 : 1 为计算机设计 16 个双操作数指令是否可取? 为什么? 2 CPU 内部寄存器增加到 16 个, 在不改变指令长度的条件下, 可以用哪两种方式修改指令格式 ( 画出修改后的指令格式 ), 将对指令功能产生什么影响? 的格式 3 如不降低指令功能, 并且指令长度可变, 画出具有 16 个内部寄存器的双操作数指令解答 1 不可取, 应该留一些值给单操作数指令和无操作数指令 2 方式 a: 减少操作码长度来增加 Rd 和 Rs 长度, 这种方法将减少双操作数指令数, 如图 8.8 所示 21

23 OP Md Rd Ms Rs 图 8.8 例题 8.19 解答方式 b: 减少 Md 和 Ms 长度, 这种方法将减少寻址方式, 如图 8.9 所示 OP Md Rd Ms Rs 图 8.9 例题 8.19 解答 3 不降低指令功能, 双操作数指令格式如图 8.10 所示 OP Md Rd Ms Rs 图 8.10 例题 8.19 解答例题 8.20 ( 中国科学院计算技术研究所 1999 年试题 ) 在指令格式中, 采用扩展操作码设计方案的目的是 (1) 减少指令字长度 (2) 增加指令字长度 (3) 保持指令字长度不变而增加指令操作的数量 (4) 保持指令字长度不变而增加寻址空间解答 (1) 减少指令字长度扩展操作码设计是一种指令优化技术, 它可以缩短指令平均长度, 减少程序的总位数, 以及增加指令字所能表示的操作信息所以, 答案为 (1) (2) 增加指令字长度 : 正好相反 (3) 保持指令字长度不变而增加指令操作的数量 : 与指令操作的数量没有必然联系 (4) 保持指令字长度不变而增加寻址空间 : 与寻址空间并无关系例题 8.21 ( 北京航空航天大学 1998 年试题 ) 某机器指令码长度为 16 位, 地址码长度都为 6 位, 包含单地址指令双地址指令和无地址指令, 试问单地址指令最多能有多少条, 此时双地址指令和无地址指令各为多少条? 解答单地址指令最多能有 (2 4 1) 2 6 1=959 条此时双地址指令只有 1 条, 无地址指令最多可有 2 6 =64 条例题 8.22 ( 北京航空航天大学 1998 年试题 ) 22

24 指令 INCB (R5) 是一自减型寻址方式字节操作数指令, 其寻址过程是先 R5 (R5) 1, 然后计算 EA=(R5), 指令操作是加 1 操作若指令执行前,16 位寄存器 R5 的内容为 (R5)=010046, 内存以下字地址单元的内容 (010044)=100000,(010046)= 指令执行后, 寄存器和内存单元的内容有什么变化 ( 本小题中所有数据都是八进制数据 ) 解答 (R5)= 字节地址单元 (010045) 原为 ( ) 2 ; 指令执行完后应变为 ( ) 2 因此 (010044)=100400, (010046) 不变, 仍为例题 8.23 ( 浙江大学 1998 年试题 ) 已知某机器字长 16 位, 主存按字编址, 其双操作数指令格式为 : OPCODE R D 其中 OP 为操作码,R 为通用寄存器地址, 试问下列寻址方式能访问的最大主存区为多少机器字? (1)D 为立即数 : (2)D 为主存直接地址 : (3)D 为主存间接地址 : (4)D 为变址形式地址, 变址寄存器为 R 1 ( 字长 16 位 ): 解答 (1)D 为立即数, 访问的最大主存区为 0 (2)D 为主存直接地址, 访问的最大主存区为 2 8 =256 (3)D 为主存间接地址, 访问的最大主存区为 2 16 =65536 (4)D 为变址形式地址, 变址寄存器为 R 1 ( 字长 16 位 ), 访问的最大主存区为 2 16 = 指令设计这类题通常都是综合性比较强的题, 解答该类题需要全面本章的各种知识, 并能够根据题目要求灵活运用, 具体要求和方法的总结参见本章的常考知识点及复习方法建议这里举 4 道题目的例子, 使大家掌握指令设计题目的解法例题 8.24 ( 中国科学院计算技术研究所 1997 年试题 ) 某机字长 16 位, 直接寻址空间为 128 字, 变址时的位移量是 64~+63,16 个通用寄存器都可以作为变址寄存器, 设计一套指令系统, 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 23

25 分析本题属于有一定难度的综合题, 考查的是指令格式设计和寻址方式的综合应用, 因为本题有实际应用的可能, 所以在这里进行较详细地分析首先, 我们应当明确设计指令格式的方式, 由于题中给出了多种寻址方式, 为了简化指令设计, 我们可选用扩展操作码方式来设计然后, 我们确定指令操作码的长度和指令的总长度因为所要求的指令数从 1 到 5 递增, 所以我们按从 1 到 5 的顺序来设计为满足条件 1, 二地址直接寻址指令的操作码部分应该为 2 位, 则操作码可以定义成 00, 01,10, 总的指令长度可以是 2 位操作码 + log 位地址码 =16 位指令长为满足条件 2, 一地址变址寻址指令的操作码应该从开始, 顺序递增到为止, 总的指令长度可以是 5 位操作码 + log log 16 位地址码 =16 位指令长为满足条件 3, 二地址寄存器寻址指令的操作码可以从开始, 顺序递增到为止, 总的指令长度可以是 8 位操作码 + log 地址码 =16 位指令长 ; 为满足条件 4, 一地址直接寻址指令的操作码部分应该从开始, 顺序递增到为止, 总的指令长度为 9 位操作码 + log 位地址码 =16 位指令长为满足条件 5, 零地址指令的操作码虽然应该从开始, 顺序递增到 , 但是指令的总长度就是 12 位, 而上述其他指令的长度都可以为 16 位, 所以这里将表示最后 32 种不同零地址指令的 5 位移动到 16 位指令的最后 5 位, 所以可以从开始, 递增到解答通过以上分析, 我们可以得到此题的解答如图 8.11 所示 2 (1) 2bits 7bits 7bits OP 地址码 2 地址码 2 操作码共 3 条 (2) 5bits 4bits 7bits OP 寄存器索引操作数操作码共 6 条 (3) 8bits 4bits 4bits OP 寄存器索引 1 寄存器索引 2 操作码共 8 条 (4) 9bits OP 7bits 地址码操作码共 12 条 (5) 16bits OP 操作码共 32 条图 8.11 指令编码格式扩展扩展操作码设计方案常用的方法有等长扩展和不等长扩展两种等长扩展法每次扩展同样位数的操作码, 例如进行位或位的扩展通常用于各种指令数比较相近的情况不等长扩展法就是每次扩展不同的位数, 例如位扩展或位扩展扩展的方法取决于各类指令的数量扩展的时候要注意每 n 位最多只能定义 2 n 1 条指令, 至少要留下一个扩展码来标识下一级的指令例如采用位的扩展, 等长扩展出条指令 4 位的指令码为 0000~1110 共 15 条, 最低位要标识下一级扩展码而 8 位的指令为 ~ , 24

26 依此类推, 前面一类都要给下一类留下一个空位另外设计时注意, 操作码越长的所能够带的指令码就越短, 其寻址的个数和寻址空间就要受到一定的影响例题 8.25 ( 中国科学院自动化研究所 1999 年试题 ) 试设计出计算机指令系统中的 8 种指令操作, 使得该指令操作集合具有基本算术运算逻辑运算和控制功能的完备性, 并加以简要说明解答若保持各种运算的完备性,8 种指令操作应有 : 加运算与运算求反运算循环左移运算 LOAD 指令 STORE 指令等于跳转指令大于跳转指令求补运算可用求反运算和加 1 运算来表示减运算可用求补运算和加法运算来表示乘运算可用加法运算来表示除运算可用乘运算和减运算来表示与运算和求反运算可表示所有的逻辑运算循环左移可表示所有的移位运算例题 8.26 ( 北京航空航天大学 1995 年试题 ) 某台计算机字长为 16 位, 主存容量为 64kB, 采用单字长单地址指令, 共有 64 条指令, 系统有 4 个通用寄存器 R 0 R 1 R 2 R 3, 试用 4 种寻址方式 ( 寄存器直接寻址存储器直接寻址基址寻址间接寻址 ) 设计指令格式 ( 通用存储器都为 16 位 ) 解答操作码应占 6 位 ( 共有 64 条指令,2 6 =64), 寻址方式应占 2 位 ( 共有 4 种寻址方式,2 2 =4), 寄存器号应占 2 位 ( 共有 4 个寄存器 ), 操作数字段有 ( =6) 位因此, 寄存器直接寻址的指令格式如图 8.12 所示操作码寻址方式寄存器号操作数 6bits 2bits 2bits 6bits 图 8.12 例题 8.26 解答例题 8.27 ( 清华大学 1995 年试题 ) 某计算机模型具有以下特点 :1 有 64 条指令 ;2 为二地址指令, 有直接寻址立即数寻址和相对寻址 3 种寻址方式 ;3 有 16 个通用寄存器, 算术逻辑运算指令的操作数在通用寄存器中, 运算结果也送往通用寄存器 ;4 取数 / 存数 (Load/Store) 指令在通用寄存器和存储器之间传送数据 ;5 存储器容量为 64kB, 按字节编址 1 请设计算术逻辑运算指令, 取数 / 存数指令和相对转移指令的指令格式, 并简述理由 2 请画出该模型的 CPU 逻辑框图解答指令有 64 条, 因此操作码应占 6 位 ; 有 16 个通用寄存器, 因此寄存器号应占 4 位 ; 存 25

27 储器容量 64kB, 因此用于寻址的操作数应有 16 位 ; 寻址方式由 3 种, 因此指令中寻址方式应占 2 位算术逻辑运算指令格式如图 8.27 所示操作码寄存器 1 寄存器 2 6bits 4bits 4bits 图 8.13 例题 8.27 解答取数 / 存数指令格式如图 8.14 所示操作码寻址方式寄存器号操作数 6bits 2bits 4bits 16bits 图 8.14 例题 8.27 解答相对转移指令格式如图 8.15 所示操作码 6bits 操作数 16bits 图 8.15 例题 8.27 解答该模型的 CPU 逻辑框图如图 8.16 所示 ALU 缓冲寄存器程序计数器通用寄存器阵列指令寄存器指令译码器地址寄存器图 8.16 例题 8.27 解答 26

Microsoft PowerPoint - 05-第五讲-寻址方式.pptx

Microsoft PowerPoint - 05-第五讲-寻址方式.pptx 第五讲授课教师 : 陆俊林王箫音 2012 年春季学期主要内容一寻址方式概述二数据的寻址方式三转移地址的寻址方式教材相关章节 : 微型计算机基本原理与应用 ( 第二版 ) 第 4 章寻址方式与指令系统 1 主要内容一寻址方式概述二数据的寻址方式三转移地址的寻址方式 2 指令的组成指令由操作码和操作数两部分组成操作码操作数 MOV AX, 8726H ADD AX,

第0章 硬件部分试题分析和解题方法

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