8.4 KiB
指令系统习题
指令格式
操作码
例题 一个计算机系统采用$32$位单字长指令，地址码为$12$位，若定义了$250$条二地址指令，则还可以有()条单地址指令。
A.4K
B.8K
C.16K
D.24K
解：$D$。地址码为$12$位，二地址指令的操作码长度为$32-12-12=8$位，已定义了$250$条二地址指令，$2^8-250=6$，所以上一层多出了六种地址给单地址指令，即可以设计出单地址指令$6×2^{12}=24K$条。
例题 某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令$29$条、二地址指令$107$条，每个地址字段为$6$位，则指令字长至少应该是()。
$A.24$位
$B.26$位
$C.28$位
$D.32$位
解：$A$。三地址指令有$29$条，所以其操作码至少为$5$位。以$5$位进行计算，它剩余$32-29=3$种操作码给二地址。而二地址另外多了$6$位给操作码，因此其数量最大达$3\times64=192$。所以指令字长最少为$23$位，因为计算机按字节编址，需要是$8$的倍数，所以指令字长至少应该是$24$位，选$A$。
例题 设指令字长固定为$16$位，试设计一套指令系统满足：
1）有$15$条三地址指令
2）有$12$条二地址指令
3）有$62$条一地址指令
4）有$32$条零地址指令
解：若要$15$条三地址码，而一共要从零到三位的地址，指令字长为$16$位。
所以三地址指令的操作码长度为4位，这样一共能得到$0000,A_1,A_2,A_3$到$1110,A_1,A_2,A_3$一共$15$条三地址指令。$1111,A_1,A_2,A_3$用于拓展。
而对于二地址指令，一定是以$1111$开始的，由于只需要$12$条二地址指令，拓展$A_1$作为操作码时，只用用到$0000$到$1011$就可以了，即而二地址指令从$1111,0000,A_2,A_3$到$1111,1011,A_2,A_3$。剩下的$1100$、$1101$、$1110$、$1111$都是以$11$开头，所以$1111,11XX,A_2,A_3$用于拓展。
对于一地址指令，需要$62$条，而$2$的八次方减一为$63$，所以一地址指令的操作码至少还要拓展$8$位。最后的$1111$一定要留给下一位拓展，所以$1111,1100$到$1111,1110$的后面一个操作码$A_2$范围是$0000$到$1111$全部用到，这样一共满足了$3×16=48$个，还需要$14$个，所以$1111,1111$只还要满足$14$个就可以了，即$1111,1111,0000$到$1111,1111,1101$，$1111,1111,1110$和$1111,1111,1111$留给零地址指令拓展。
而零地址指令必然以$1111,1111,111$开头，正好余下$1+4=5$位也就是$32$条零地址指令可以满足条件。
例题 假设指令字长为$16$位，操作数的地址码为$6$位，指令有零地址、一地址、二地址$3$种格式。
1）设操作码固定，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？
2）采用扩展操作码技术，若零地址指令有$M$种，一地址指令有$N$种，二地址指令有多少种？最多有几种？
3）采用扩展操作码技术，若二地址指令有$Р$条，零地址指令有$Q$条，则一地址指令最多有几种？
解：操作符拓展的思想都是一样的，本层操作符支持指令条数等于当前空余位的指数乘上上一层指令空余的位数。
1）对于操作码固定，对于所有指令都是一样的操作码。由于最多二地址，所以操作码为$16-2\times6=4$位，所以一共$2^4=16$条，二地址可用的就是$16-M-N$条。
2）设一地址指令给零地址指令空余了$x_1$种表示方式，二地址指令给一地址指令空余了$x_2$种表示方式。
所以$M=2^6\cdot x_1$，解出$x_1=M\cdot2^{-6}$，$N=x_2\times2^6-x_1$，解出$x_2=(N+M\times2^{-6})\times2^{-6}$。
同理二地址指令数量为$16-x_2$，即2^4-(N+M\times2^{-6})\times2^{-6}
最大为二地址指令只给一地址指令保留一位空余位的情况，即$=16-1=15$。
3）解题思路与第二问类似，只是变量不同，同样设一地址指令给零地址指令空余了$x_1$种表示方式，二地址指令给一地址指令空余了$x_2$种表示方式。
对于二地址指令，$P=2^4-x_2$，$x_2=2^4-P$。对于零地址指令，$Q=2^6x_1$，$x_1=Q\times2^{-6}$。
所以对于一地址指令，$=x_2\times2^6-x_1=(2^4-P)\times2^6-Q\times2^{-6}$。
指令寻址方式
转移指令
例题 某机器有一个标志寄存器，其中有进位/借位标志$CF$、零标志$ZF$、符号标志$SF$和溢出标志$OF$，条件转移指令$bgt$（无符号整数比较大于时转移）的转移条件是()。
A.CF+OF=1
B.\overline{SF}+ZF=1
C.\overline{CF+ZF}=1
D.\overline{CF+SF}=1
解：$C$。首先问的是转移条件，无符号整数比较大于时转移，就是指两个无符号整数比较大小，假设两个无符号整数$A$和$B$，$bgt$指令会将$A$和$B$进行比较，也就是将$A$和$B$相减。若$A>B$则转移，则$A-B$肯定无进位/借位，也不为$0$（为$0$时表示两数相等），因此$CF$和$ZF$均为$0$，选$C$。其余选项中用到了符号标志$SF$和溢出标志$OF$，不是大于的条件，显然应当排除。
相对寻址
注意相对寻址时，在取指时$PC$会自动加一（指令长度或机器字长）。
例题 某机器指令字长为$16$位，主存按字节编址，取指令时，每取一个字节$PC$自动加$1$。当前指令地址为$2000H$，指令内容为相对寻址的无条件转移指令，指令中第一个字节为操作码，第二个字节为形式地址，当前形式地址为$40H$。
1）求取指令后及指令执行后$PC$内容。
2）若要求转移到$1F00H$，求形式地址的内容。
解：
1）$PC$指向当前指令地址$2000H$，因为第一个字节为操作码，所以$PC$指向$2001H$，第二个字节为形式地址，$PC$指向$2002H$。由于形式地址为$40H$，所以实际地址$EA=(PC)+A=2002H+40H=2042H$。
所以执行指令后跳转到所指向的地址$2042H$。
2）
即$(PC)+A=2002H+A=1F00H$。即$=1EFFH+1H-2002H=FEFDH+1H=FEFEH$。
堆栈寻址
例题 堆栈寻址方式中，设$A$为累加器，$SP$为堆栈指示器，$M_{SP}$为$SP$指示的栈顶单元。若进栈操作的动作是$(A)\rightarrow M_{SP}$，$(SP)-1\rightarrow SP$，则出栈操作的动作应为()。
A.(M_{SP})\rightarrow A,(SP)+1\rightarrow SP
B.(SP)+1\rightarrow SP,(M_{SP})\rightarrow A
C.(SP)-1\rightarrow SP,(M_{SP})\rightarrow A
D.(M_{SP})\rightarrow A,(SP)-1\rightarrow SP
解：$B$。进、出堆栈时对栈顶指针的操作顺序是不同的，进栈时是先压入数据$(A)\rightarrow M_{SP}$，后修改指针$(SP)-1\rightarrow SP$，说明栈指针是指向栈顶的空单元的，所以出栈时要先修改指针$(SP)+1\rightarrow SP$，然后才能弹出数据$(M_{SP})\rightarrow A$，否则弹出的是一个空元素。
指令设计
某模型机共有$64$种操作码，位数固定，且具有以下特点：
- 采用一地址或二地址格式。
- 有寄存器寻址、直接寻址和相对寻址（位移量为$-128\sim+127$）$3$种寻址方式。
- 有$16$个通用寄存器，算术运算和逻辑运算的操作数均在寄存器中，结果也在寄存器中。
- 取数/存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据。
- 存储器容量为$1MB$，按字节编址。
要求设计算术逻辑指令、取数/存数指令和相对转移指令的格式，并简述理由。
解：
操作码$64$所以操作码位$6$位，寄存器$R_i$一共$16$个，所以寄存器$4$位，主存$A$大小$1MB$，所以直接寻址需要$20$位，偏移量$A$为$-128\sim127$，所以相对寻址需要$8$位。
注意：由于不同的寻址方式，所以需要加上寻址特征$M$，一共三种，所以需要两位。
- 算术逻辑指令：寄存器+寄存器：$OP,6+M,2+R_1,4+R_2,4$。
- 取数/存数指令：寄存器+存储器：$OP,6+M,2+R_1,4+A,20$。
- 相对转移指令：$PC$+偏移量：$OP,6+M,2+A,8$。
指令集计算机
例题 下列指令系统的特点中，有利于实现指令流水线的是()。
Ⅰ.指令格式规整且长度一致
Ⅱ.指令和数据按边界对齐存放
Ⅲ.只有$Load/Store$指令才能对操作数进行存储访问
$A.$仅Ⅰ、Ⅱ
$B.$仅Ⅱ、Ⅲ
$C.$仅Ⅰ、Ⅲ
$D.$I、Ⅱ、Ⅲ
解：$D$。指令长度一致、按边界对齐存放、仅$Load/Store$指令访存，这些都是$RISC$的特征，它们使取指令、取操作数的操作简化且时间长度固定，能够有效地简化流水线的复杂度。