计算机组成原理第四章答案

1、第 4 章习题参考答案1第第 4 章习题参考答案章习题参考答案1ASCII 码是 7 位，如果设计主存单元字长为 32 位，指令字长为 12 位，是否 合理？为什么？答：不合理。指令最好半字长或单字长，设 16 位比较合适。一个字符的 ASCII 是 7 位，如果设计主存单元字长为 32 位，则一个单元可以放四个字符，这也是 可以的，只是在存取单个字符时，要多花些时间而已，不过，一条指令至少占 一个单元，但只占一个单元的 12 位，而另 20 位就浪费了，这样看来就不合理， 因为通常单字长指令很多，浪费也就很大了。2假设某计算机指令长度为 32 位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类 指令形式，指令系统共有 70 条指令，请设计满足要求的指令格式。 答：字长 32 位，指令系统共有 70 条指令，所以其操作码至少需要 7 位。 双操作数指令 7 位 OP12 位操作数12 位操作数 单操作数指令 7 位 OP25 位操作数 无操作数指令 7 位 OP-3指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 15 109 87 43 0 OP-目标寄存器源寄存器答：该指令格式及寻址方式

2、特点如下： (1) 单字长二地址指令。 (2) 操作码字段 OP 可以指定 26=64 种操作。 (3) 源和目标都是通用寄存器（可分指向 16 个寄存器）所以是 RR 型指令，即 两个操作数均在寄存器中。 (4) 这种指令结构常用于 RR 之间的数据传送及算术逻辑运算类指令。4指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。15 10 9 8 7 4 3 0 15 109 87 43 0 OP-源寄存器变址寄存器第 4 章习题参考答案2偏移量(16 位)答：该指令格式及寻址方式特点如下： (1) 双字长二地址指令，用于访问存储器。 (2) 操作码字段 OP 可以指定 26=64 种操作。 (3) RS 型指令，一个操作数在通用寄存器（选择 16 个之一） ，另一个操作数 在主存中。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 （选择 16 个之一）内容加上位移量。 5指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 15 1211 98 65 32 0 OP寻址方式寄存器寻址方式寄存器 源地址目标地址答：该指令格式及寻址方式特点如下： (1) 该指令为单字长双操作数指

3、令，源操作数和目的操作数均由寻址方式和 寄存器构成，寄存器均有 8 个，寻址方式均有 8 种。根据寻址方式的不 同，指令可以是 RR 型、RS 型、也可以是 SS 型； (2) 因为 OP 为 4 位，所以最多可以有 16 种操作。6一种单地址指令格式如下所示，其中为 I 间接特征，X 为寻址模式，D 为形 式地址，I、X、D 组成该指令的操作数有效地址 E，设 R 为变址寄存器，R1 为 基值寄存器，PC 为程序计数器，请在下表中第一列位置填入适当的寻址方式名 称。寻址方式名称IX有效地址 E 0 0 0 0 1 100 01 10 11 00 10E=D E=（PC）+D E=（R）+D E=（R1）+D E=(D) E=(R1)+D)，D=0答： 直接寻址 相对寻址 变址寻址 基址寻址 间接寻址 先基址后间接寻址7某计算机字长为 32 位，主存容量为 64K 字，采用单字长单地址指令，共有 40 条指令。试采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。答：根据题意，40 种指令至少需 6 位 OP；四种寻址方式至少需用 2 位表示； 主存为 64K，则地址需要 16 位，而

4、机器字长为 32 位，可设计如下格式： 31 2625 1817 1615 0 OP-寻址方式 XD 设：第 4 章习题参考答案3寻址方式 X=00 为直接寻址方式，由 16 位的 D 直接给出有效地址，EA=D 寻址方式 X=01 为立即寻址方式，由 16 位的 D 直接给出操作数，操作数=D 寻址方式 X=10 为变址寻址方式，设变址寄存器为 IR，则 EA=(IR)+D 寻址方式 X=11 为相对寻址方式，设程序计数器为 PC，则 EA=(PC)+D(D 可正 可负) 注：IR 和 PC 的位数与机器的字长相等，均为 32 位8某机字长为 32 位，主存容量为 1M，单字长指令，有 50 种操作码，采用寄 存器寻址、寄存器间接寻址、立即、直接等寻址方式。CPU 中有 PC，IR，AR，DR 和 16 个通用寄存器。问：(1)指令格式如何安排?(2) 能否增加其他寻址方式?答： (1) 根据题意，50 种操作码至少需 6 位 OP；寻址方式可用 2 位分别表示最多 4 种寻址方式；用 4 位编码选择 16 个通用寄存器之一作为源操作数或目的操作数， 因机器字长为 32 位，固还剩

5、20 位可表示形式地址 D 31 2625 2423 2019 0 OP寻址方式寄存器D D 字段的寻址方式由 25-24 位决定，如： 寻址方式字段=00，表示 D 为寄存器寻址，实际使用 D 中的 4 位进行寄存器选 择； 寻址方式字段=01，表示寄存器间接寻址，实际使用 D 中的 4 位进行寄存器选 择； 寻址方式字段=10，表示立即寻址，可使用 D 的全部确定一个立即数； 寻址方式字段=11，表示直接寻址，20 位的 D 可确定一个存储单元。(2) 若将形式地址的位数减少，则可以增加其他的寻址方式9设某机字长为 32 位，CPU 中有 16 个 32 位通用寄存器，设计一种能容纳 64 种操作的指令系统。如果采用通用寄存器作基址寄存器，则 RS 型指令的最大 存储空间是多少?答：根据题意，64 种操作至少需 6 位 OP；用 2 位表示四种寻址方式；寄存器 16 个源操作数和目的操作数各用 4 位，因机器字长为 32 位，固还剩 16 位可表 示形式地址 D 31 2625 2423 2019 1615 0 OP寻址方式源寄存器目的寄存器D 如果采用通用寄存器作基址寄存器，因为

6、寄存器为 32，位所以 RS 型指令可寻 址空间最大可达 232单元。10将表 4.9 的指令系统设计成二地址格式的指令系统。答：表 4.9 中的指令共有 29 条，故操作码字段需要 5 位；设这些指令支持 9 种第 4 章习题参考答案4寻址方式：立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、间接寻址、 相对寻址、基址寻址、变址寻址、堆栈寻址，则源和目的操作数各需要 4 位来 确定其寻址方式；因字长为 32 位，故还剩余 19 位用于表示源和目的操作数的 形式地址，可取形式地址为 9 位，多余的 1 位可以加在操作码字段。即，格式 如下： 31 2625 2221 1312 98 0 OP目的寻址方式目的操作数源寻址方式源操作数11从以下有关 RISC 的描述中，选择正确答案。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 CISC 系统的指令系统中挑选 一部分实现的。C. RISC 的主要目标是减少指令数。DRISC 设有乘、除法指令和浮点运算指令。答：C12根据操作数所在位置，指出其寻址方式(填空)：(1) 操

7、作数在寄存器中，为(A)寻址方式。(2) 操作数地址在寄存器，为(B)寻址方式。(3) 操作数在指令中，为(C)寻址方式。(4) 操作数地址(主存)在指令中，为(D)寻址方式。(5) 操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和，可以是(E，F，G)寻址 方式。答：A. 寄存器B. 寄存器间接C. 立即D. 直接 E,F,G. 基址、变址、相对13将 C 语句翻译成 MIPS R4000 汇编语言代码。C 赋值语句是： =（g+h）-（i+j） 假设变量、g、h、i、j 分别分配给寄存器$s0、$s1、$s2、$s3、$s4。答：该语句翻译成 MIPS R4000 汇编语句如下： add $s5,$s1,$s2;将 g+h 的和存入寄存器$s5 中($s5=$s1+$s2) add $s6,$s3,$s4;将 i+j 的和存入寄存器$s6 中($s6=$s3+$s4) sub $s0,$s5,$s6;将结果存入寄存器$s0 中($s0=$s5-$s6)14将如下 MIPS R4000 汇编语言翻译成机器语言指令。 lw $t0,1200($t1) add $t0,$s2,$t0 sw $

8、t0,1200($t1)答：已知 MIPS 指令的字段值如下表所示，而且寄存器$s0$s7 对应的寄存器号第 4 章习题参考答案5为 1623（十进制） ，寄存器$t0$t7 对应的寄存器号为 815。 MIPS 指令的字段值指令的字段值指令指令格式格式 oprsrtrdshamtfunct常数或地址常数或地址add(加加)R0reg reg reg032sub(减减)R0reg reg reg034立即数加立即数加I8reg reg常数lw(取字取字)I35reg regaddresssw(存字存字)I43reg regaddress由此，可写出以上 3 条指令翻译成机器语言指令如下表所示。 3 条指令对应的机器语言条指令对应的机器语言 指令机器语言各字段 各字段长度6 位5 位5 位5 位5 位6 位 R 型oprsrtrdshamtfunct I 型oprsrtaddress lw $t0,1200($t1)35981200 add $t0,$s2,$t001888032 sw $t0,1200($t1)4398120015将下面一条 ARM 汇编语言指令翻译成用十进制和二进制表

9、示的机器语言 指令：ADD r5,r1,r2答：已知 ARM 汇编指令的指令译码格式如下表所示： ADD、SUB、LDR、STR 指令的指令译码格式指令的指令译码格式指令名称condFIopcodeSRnRdoperand2 ADD(加)140040regregregSUB(减)140020regregreg ADD(立即数加)140140regregconstant(12 位) LDR(取字)14124regregaddress(12 位) STR(存字)14125regregaddress(12 位)由此，可得该指令的十进制和二进制的机器语言如下表所示 ADD r5,r1,r2 的机器语言的机器语言 opcodeoffset 12condFIopcodeSRnRdoperand 12 十进制140040152 二进制1110001000000101010000 0000 001016将下面 C 语言翻译成 ARM 汇编语言代码，C 赋值语句是： =（g+h）-（i+j） 假设变量、g、h、i、j 分别放在寄存器 r0、r1、r2、r3、r4 中答：该语句翻译成 ARM 汇编语句如下：第 4 章习题参考答案6add r5,r1,r2;将 g+h 的和存入寄存器 r5 中(r5=r1+r2) add r6,r3,r4;将 i+j 的和存入寄存器 r6 中(r6=r3+r4) sub r0,r5,r6;将结果存入寄存器 r0 中(r0=r5-r6)

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