南信大 计算机组成原理期末练习题(8)

11. (1)地址码域=14位, 214=16384 操作码域=7位

指令字长度=14+7+3=24位

(2)此时指定的通用寄存器用作基值寄存器(12位),但12位长度不足以覆盖16K地址空间,为此可将通用寄存器内容(12位)左移2位低位补0形成14位基地址,然后与形式地址相加得一地址,该地址可访问主存16K地址空间中的任一单元。

(3)可采用间接寻址方式来解决这一问题,因为不允许改变硬件结构。

五、问答题

o 计算机指令由操作码和地址码构成，操作码通常使用编码方式表明该指

令完成的操作；而地址码指明指令所操作的操作数的地址，分为源操作数地址码和目的操作数地址码。操作码由基本操作码和扩展操作码组成，操作是必需的。地址码按数量可分为零地址、一地址、二地址、三地址和多地址。常用的指令格式有单字长指令和多字长指令；固定字长指令和可变字长指令；固定长度操作码指令和可变长度操作码指令等。 o 指令系统的性能如何，决定了计算机的基本功能，因而指令系统的设计

是计算机系统设计中的一个核心问题，它不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接关系到用户的使用需要。一个完善的指令系统应满足如下一些基本要求：

完备性：指令系统的完备性是指在一个有限可用的存储空间，对于任何可解的问题，编制计算机程序时，指令系统所提供的指令足够使用。 有效性：利用该指令所编写的程序能够高效率地运行。强调有效性，一直是计算机系统设计的重要原则之一，也是传统的复杂指令系统计算机的出发点。

规整性：包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。

兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令系统，因而它们的指令系统是兼容的。

基本的指令系统应包含以下四大类型的指令：（１）数据处理：算术运算和逻辑运算指令；（２）数据存储：存储器指令；（３）数据移动：Ｉ／Ｏ指令；（４）程序控制：测

试和转移指令。从指令的功能来考虑，一个较完善的指令系统应包括以下７类：数据传送指令，算术运算指令，逻辑运算指令，数据转换指令，输入输出指令，系统控制指令和程序控制指令。指令集中指令由这些基本类型的指令构成。

o CISI存在的主要问题：复杂指令并不能有效地得到利用；复杂指令系统

会降低整个机器的执行速度；复杂指令带来了计算机组成及实现上的复杂性，不便于用VLSI实现；CISC的设计时间长，且由于系统复杂，可能包含更多的设计错误；CISC的设计思想是把硬件资源主要用于提高指

令系统的功能和规模，使指令系统设计得尽可能接近高级语言，而没有最大限度地利用这些资源来提高性能。

RISC以尽可能地提高处理机的有效速度为依据来确定指令系统，这种指令系统简单、紧凑，便于流水处理，硬件实现容易，而且能有效地支持优化编译。具体地，RISC指令系统具有以下主要特点：

o 选取使用频度最高的一些指令，指令功能简单，指令条数少。 o 定长、简单的指令格式，典型的位４个字节。

o 寻址方式简单，数量少，一般不超过五种，不采用存储器间接寻址技术。 o 只有LOAD/STORE指令能访问主存，一条指令中操作数访存寻址不超过一o o o o o

次。

运算类指令多采用三地址寄存器寻址格式，不直接访存。 大量的寄存器，指令操作大多都在寄存器之间进行。

对于有 浮点处理部件的计算机，使用大量的浮点寄存器。

大部分指令在一个周期内完成（流水方式），但是其性能的发挥强烈地依赖于编译器的优化。

寻址技术是确定操作数地址的技术，有些文献称之为编址技术，它是计算机设计中，硬件技术对软件最早提供支持的技术。

寻址技术出现，是因为希望能够灵活地访问到存储器，而存储器的范围较大，这就需要较长的地址，但是指令字中地址域 的位 数有限，对于虚拟存储器这个问题更加突出。另外，高级语言和很多种数据结构，如循环语句和数组结构中的地址变化，需要有效的地址变换以提高访问数据的灵活性的有效性。指令系统具有寻址方式的种类，是指令系统设计的关键问题之一，它影响到计算机系统的寻址能力，同时也影响到地址计算复杂度和计算速度。

基本寻址方式包括：直接数寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址、堆栈寻址等。

o 程序控制指令用来改变程序原来的执行顺序。程序中需要改变执行顺序

的原因主要有：循环反复执行一段程序；程序涉及决策问题，在不同条件的情况下做不同的事情；模块化程序执行时要靠程序控制指令来控制这些模块的执行顺序。

程序控制指令主要包括：转移指令、跳越指令和子程序调用与返回指令。 在形式上以及计算操作数的有效地址的方法上，变址寻址和基址寻址中是相似的，都是把个寄存器的内容加上指令字中的形式地址而形成操作数有有效地址。实际上，两者有着不同的用途。首先，在采用了基址寻址的计算机系统中，基址是不变的，程序中的所有地址都是相对于基地址来变化的。而对于变址寻址来说则相反，指令中的地址字段的形式地址给出的是一个存储器地址基准，变址寄存器Ｘ中存放的是相对于该基准地址的偏移量。不同的变址寄存器给出的不同的单元。第二，在基址寻址中，偏移量位数较短，而在变址寻址中，偏移量位数足以表示整个

存储空间。第三，基址寻址主要是解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性，而变址寻址主要是为了可以编写出高效访问一片存储空间的程序。

7. （1）寄存器寻址，形式地址为寄存器名（或编号），寄存器中的内容为操作数；

（2）寄存器间接寻址，形式地址为寄存器名（或编号），寄存器中的内容为操作数的地址，再读一次内存得到操作数；

（3）变址寻址，形式地址为变址寄存器名（或编号）和变址偏移值，把变址寄存器中的内容与变址偏移值相加得到操作数的地址，再读一次内存得到操作数；

（4）堆栈寻址，通常形式地址为将写入堆栈的、或接收堆栈读出内容的寄存器名（或编号），指令中不直接给出内存地址，而是选用默认的堆栈指针寄存器中的内容为内存地址，读写堆栈总伴有修改堆栈指针的操作。

8. 一条指令由操作码和操作数地址码两部分组成。对操作码的组织与编码有以下三种：

（1）定长的操作码的组织方案

优点：计算机的硬件设计简单，指令译码和执行速度快。

缺点：当指令数量增多、指令字单独为操作码划分出固定的多位后，留给表示操作数地址的位数就会严重不足。

适用于字长较长的计算机系统，如32位或32位以上。 （2）变长的操作码的组织方案

优点：在比较短的指令字中，既能表示出比较多的指令条数又能尽量满足操作数地址的要求。

缺点：计算机的硬件设计复杂，指令译码和执行速度较慢。 适用于字长较短的计算机系统，如16位或16位以下。 （3）操作码字段与操作数地址有所交叉的方案

优点：在比较短的指令字中，既能表示出比较多的指令条数又能尽量满足操作数地址的要求。操作码不再集中在指令字的最高位，而是与表示操作数地址的字段有所交叉。

缺点：计算机的硬件设计复杂，指令译码和执行速度较慢。 这种方案不很常用。

9. 表示在指令中的操作数地址称为形式地址。

（1）变址寻址：应在指令中给出一个数值（称为变址偏移量）及一个寄存器（称为变址寄存器）的编号。实际地址（又称有效地址）＝变址寄存器的内容+变址偏移量主要用于处理数组型数据。

（2）相对寻址：应在指令中给出一个数值（称为相对寻址偏移量）。实际地址（又称有效地址）=程序计数器PC的内容+相对寻址偏移量主要用于相对转移指令。

（3）基地址寻址：应在指令中给出一个寄存器（称为基址寄存器）的编号。实际地址（又称有效地址）=程序中的地址+基址寄存器主要用于多道程序或浮动地址程序定位存储器空间。

10. （1）无条件转移指令，条件转移指令，中断返回指令等都可以改变指令执行的次序使其不再是顺序执行的指令；（2）在指令字中，可

以通过给出寄存器编号，把该寄存器的内容作为新的指令地址；可以例如用指令的第二个字直接给出一个新的指令地址；也可以通过给出一个偏移值(可以为正或负值)与当前指令地址相加求得新指令的地址(相对转移)。对条件转移指令，还应该在指令字中给出依据什么条件判定是否应该转移的信息，仅在条件成立时才转移，否则顺序执行下一条相邻指令。

o 变址寻址和基址寻址都是偏移寻址的一种，基址寻址中基址寄存器提供

基准量，指令的地址码字段提供偏 移量。变址寻址中变址寄存器提供偏移量，指令的地址码字段提供基准量。

第5章 中央处理器

练习题

一、填空题

o 中央处理器CPU的功能是

o 固件是 ，一般用 实现。 o 微命令编码，就是对微指令中的操作控制字段采用的表示方式，通常有以下三

o o

o o

o o o o

o

种方

式： 、 、 。 微指令格式的基本类型为 和 。 控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做 ，而执行部件执行此控制命令后所进行的操作叫做 。

在微程序控制器中，一条机器指令对应一个 。 微程序控制器主要

由 、 、 三大部分组成，其核心部件 是由 组成，用来存放 。

实现机器指令的微程序一般存放在 中，而用户程序存放在 中，前者的速度比后者 。 中央处理器（CPU）的四个主要功能

是： 、 、 和 。 各种计算机的CPU可能有这样或那样的不同，但是在CPU中至少有六个主要寄存器，它们是： 、 、 、 、 、和 。 在CPU中，指令寄存器的作用是 ，程序计数器的作用是 ，程序状态字寄存器PSW的作用是 ，地址寄存器的作用是 。

CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫做 ，它常常用若干个 表示，而后者又包含有若干个 。

o 在程序执行的过程中，控制器控制计算机的运行总是处于 、分析o o o o o o o o o

指令和 的循环之中。

顺序执行时PC的值 ，遇到转移和调用指令时，后继指令的地址（即PC的内容）是从指令寄存器中的 取得的。

状态寄存器是由各种 拼成的寄存器，如进位标志、溢出标志等。 微指令的三种编码方式分别为： 表示法、 表示法及混合表示法。

微指令执行时产生后继微地址的方法主要有 、 和结合法。

一条转移指令的操作过程包

括 、 及 三部分。 任何指令周期的第一个CPU周期必定是 周期。

一条微指令可划分为 字段和 字段；微指令的基本格式可分为 和 。

从广义上讲，计算机中引入并行性有三种基本途径,分别是 、 、 。

多媒体CPU是一种带有__ _技术的处理器，它是一种_______技术，其特别适用于___处理当中。

二、选择题

o 中央处理器（CPU）是指

A. 运算器 B. 控制器

C. 运算器和控制器

D. 运算器、控制器和主存储器

o 在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是 。

A. 主存地址寄存器 B. 程序计数器 C. 指令寄存器 D. 状态条件寄存器

o 操作控制器的功能是 。

A. 产生时序信号

B. 从主存取出一条指令 C. 完成指令操作码译码

D. 从主存取出指令，完成指令操作码译码，并产生有关的操作控制信号，以解释执行该指令

o 指令周期是指 。

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