计算机组成原理-指令系统

1解释概念和术语：机器指令，指令系统，指令格式，指令字长，扩展编码，堆栈，边界对齐，寻址方式，CISC，RISC：

答：

机器指令：通常将要求硬件直接实现某种运算或操作的命令称为机器指令。

指令系统：所有机器指令的集合。

指令格式：指令格式通常由操作码字段和地址码字段构成。（之后有更详细解释）

指令字长：一个机器指令包含的二进制信息位数，指令字长取决于操作码长度，地址码长度，指令字长必须是存储字长的倍数，不然没有办法表示下条指令。

机器字长：CPU能够直接处理的二进制位数，通常与CPU内部的指令寄存器的位数相同。

扩展编码：这个问题较为复杂，新开一题解答；

堆栈：堆栈采用后进先出的顺序存取方式，注意，此处的堆栈和C语言里面的堆栈不相同，这里的推栈就是栈而已。典型的应用是暂存调用/返回指令的指令地址。

存储器堆栈（软堆栈）借助部分存储器空闲构成，CPU中设置堆栈指针寄存器SP用来指向堆栈栈顶，SS寄存器表示栈底。SP的移动方向

有高地址到低地址，低地址到高地址（图中），

假设堆栈中的数据长度为a个存储字长，Rin和Rout是长度为a个存储字长的寄存器，则，入栈操作，SP<-(SP)+a; [SP]<- Rin

出栈操作Rout<- [SP], SP <- (SP)-a;

边界对齐：一般而言，数据在存储器中都需要占据多个连续的存储字长，数据地址用第一个存储单元的地址表示，数据在存储器的存放设涉及到确定边界和次序两个方面的参数。

所谓边界：就是指数据存放对第一个存储单元地址的要求，

1边界对齐：数据长度为2^N个存储字时，数据地址的最低n位必须

为零。例如：

struct Demo
{
	char a;
	double b;
	int c;
};
//sizeof(Demo) != 13  ,sizeof(Demo) = 24;

2次序：有大端次序和小端次序两种排列方式。

大端就是地址的高位部分存放数据的地位部分，小端就是地址的低位部分存放数据的高位部分。

//test 
#include  
#include  

int isBigEndian() 
{ 
	unsigned short test = 0x1122; 
	if( *(unsigned char*)&test == 0x11) 
		return 1; 
	else 
		return 0; 
} 

int main() 
{ 
	if( isBigEndian() ) 
		printf("Big-Endian\n"); 
	else 
		printf("little-Endian\n"); 
}

一般interCPU是小端排序。

寻地方式：是指形成当前指令操作数或操作数地址及下条指令地址的方法。

1寻址方式分成指令寻址和数据寻址两大类。

一：指令寻址：

通过指令操作码可以区分当前指令是顺序寻址还是跳跃寻址。

如果是顺序寻址，那么下条指令的地址码是隐含的，即

下条指令地址=（PC）+a；

跳跃寻址的指令格式包含操作码和 下条指令地址码（显式的）。

二：数据寻址：

1立即寻址2寄存器寻址3相对寻址4隐含寻址...

(此处不细说）

CISC

complexinstruction set computer,指令种类多，寻址方式多，指令格式多。

RISC

reducedinstruction set computer, 指令种类少，寻址方式少，

指令格式规整。

2某指令系统中共有10种性质的操作，使用频率分别为0.30，0.20，0.16，0.09，0.08，0.07，0.04，0.03，0.02，0.01

请分别用定长编码法，霍夫曼编码法，同时有两种长度的霍夫曼扩展编码法进行编码，并计算三种方式编码的平均码长。

答：

定长编码：0000～1010，平均码长：4

霍夫曼编码：

I1 0.3 11

I2 0.2 01

I3 0.16 101

I4 0.09 001

I5 0.08 1001

I6 0.07 1000

I7 0.04 0001

I8 0.03 00001

I9 0.02 000001

I100.01 000000

平均码长：2.84

霍夫曼扩展编码：

这里总共有六种长度，取三位表示前面6种长度，四位表示 后面 4种长度

I10.3 000

I20.2 001

I30.16 010

I40.09 011

I50.08 100

I60.07 101

I70.04 1100

I80.03 1101

I90.02 1110

I100.01 1111

平均长度：0.10* 4 + 0.90 *3 = 3.1

如果是取二位表示前面2种长度，四位表示后面8种长度

平均长度=3.0；

所谓霍夫曼扩张编码：以此题为例：3位表示前面6种长度，证明

还有两种表示没有用，正好做后面四种的开头，后面四位可表示

的刚好是（2*2=4);

3设某机器指令字长为16，每个地址码为6位，指令有零地址，单地址，和双地址三种格式。

1操作码采用定长编码，且零地址指令，单地址指令分别是P种和Q种，则双地址指令最多有多少种？

2若操作码采用变长扩展编码，且零地址指令，双地址指令分别是X种和Y种，则单地址指令最多有多少种？

答：

1双地址指令操作码长：16-12= 4，

so,双地址指令最多有2^4– P- Q

2零地址的操作码16单地址10双地址4

前4位能用于零，单的是2^4– Y;

设单地址有M种，则前10位可用于零地址的有（2^4-Y)*2^6– M

从而，求得M

4某指令系统中，指令字长16，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6位，且双地址指令为A条，则单地址指令最多有多少条：

答：双地址指令的操作码4位，单地址指令的操作码是10位，所以前10位用于单地址指令编码有2^6*( 2^4 – A)

5试比较直接寻址方式和寄存器间接寻址，基址寻址和变址寻址之间的不同。

答

直接寻址方式：指令中的操作数地址码存放的不是地址，而是操作数本身。

寄存器直接寻址：指令中的操作数地址码部分存放的是相应数据寄存器编号，相应的寄存器中存放的是操作数。

寄存器间接寻址：指令中的操作树地址码部分存放的是相应地址寄存器编号，相应寄存器中存放的是操作数的地址。寄存器间接寻址是具有间接寻址的最大寻址范围，只有一次访存，是使用频率最高的寻址方式之一。

基址寻址：指令中操作树地址码部分形式地址A加上基址寄存器的内容得到的是操作数的内存地址。此时，A也称为偏移地址。

变址选址：与基址寻址差不多，只是把基址寄存器换成变址寄存器。

变址寻址的初衷不是为了扩大寻址范围，而是便于数据块的规律访问，如访问数组中所有元素，这种情况下，形式地址A不变，变址寄存器的内容有规律的变化。

6设存储器按字节编址，相对寻址的转移指令字长为2B，第二字节是相对偏移量，用补码表示。CPU取值时每取出一个字节自动完成

PC<- (PC) +1操作。假设某相对寻址的转移指令的第一字节地址为2000H，请分别写出欲转移到地址为2008H的指令和地址为1FF8的指令时，该转移指令指令字的第二字节是什么内容：

答：该指令取完后：（PC）=（PC）+2= 2002H;

想要转移到地址为2008H，则地址偏移量为2008H-2002H = +06H；所以[2001H]= 06H;

想要转移到地址为1FF8H，则地址偏移量位1FF8H-2002H =

-0AH；所以[2001H]= 96H;(补码）

相关知识：相对寻址：操作数地址为地址码中形式地址A与程序计数器PC的内容相加的结果。