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计算机组成原理：指令系统

Computer Organization: Arithmetic Logic

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值令格式

  • 操作码
  • 地址码
    • 0、1、2、3地址指令
  • 指令字长度

操作数类型

  • 地址
  • 数值
  • 字符
  • 逻辑

寻址方式

指令中包含一个特殊字段：寻址特征位，用来标识采用何种寻址方式。

  • 指令的寻址方式
    1. 顺序寻址
    2. 跳跃寻址
  • 操作数的寻址方式
    1. 隐含寻址：操作数在专用寄存器
    2. 立即寻址
    3. 直接寻址：EA = A
    4. 间接寻址：EA = (A)
    5. 寄存器寻址：EA = R
    6. 寄存器间接寻址：EA = (R)
    7. 偏移寻址：EA = A + (R)
      1. 相对寻址：EA = A + (PC)
      2. 基址寻址：EA = B + (R)，B 是专用寄存器中的值
      3. 变址寻址：主存地址位数大于变址寄存器和指令中地址码长度， 主存中地址由变址寄存器中的值向左偏移后和指令地址码相加得到。
    8. 段寻址：EA = A + (R)
    9. 堆栈寻址：EA = 栈顶

典型指令

  • 数据处理
  • 数据存储
  • 数据传送
  • 程序控制

习题

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。

70 条指令，所以 OP 需要 7 位。

  • 双操作数指令：OP 7, 操作数 12 * 2
  • 单操作数指令：OP 7, 操作数 25
  • 无操作数指令：OP 7

指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点

  1. 单字长二地址指令
  2. OP 可指定 64 种操作
  3. RR 型指令，源和目标都是寄存器（可分别指向 16 个寄存器）

指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点

  1. 双字长二地址指令，用于访问存储器
  2. OP 可指定 64 种操作
  3. RS 型指令，第二个操作数的地址通过变址寻址方式得到

指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点

  1. 单字长双操作数指令
  2. 每个操作数的寻址方式和寄存器均有 8 种不同选择，指令可以是 RR 型、RS 型、SS 型
  3. OP 长 4 位，所以最多有 16 种不同的指令操作

一种单地址指令格式如下所示，其中I为间接特征，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为基址寄存器，PC为程序计数器，请写出下表第一列中1-6寻址方式名称。

  1. 直接寻址
  2. 相对寻址
  3. 变址寻址
  4. 基址寻址
  5. 间接寻址
  6. 先基址后间接寻址

某计算机字长为32位，主存按字编址其容量为64MB，采用单字长单地址指令，共有40条指令。 试采用直接、立即、基址和相对寻址四种方式设计指令格式。

  • 40 种指令：OP 6
  • 4 种寻址方式：寻址方式 2
  • 主存 64MB：地址 16 位

某机字长为32位，主存容量为1MB，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？

  • OP 6
  • 寻址方式 2
  • 寄存器 4
  • 操作数 20

(2) 能否增加其他寻址方式？

若将形式地址的位数减少，则可以增加其他的寻址方式

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？

  • OP 6
  • 寻址方式 2
  • 源寄存器和目标寄存器 各 4
  • 形式地址 16

最大地址空间：232+222=4GB+4MB2^{32} + 2^{22} = 4GB + 4MB

将如下MIPS R4000汇编语言指令翻译成机器语言指令。

lw     $t0, 1200($t1)
add    $t0, $s2, $t0
sw     $t0, 1200($t1)