指令系统相关笔记¶

一些知识点¶

1. 寻址方式¶

区分指令寻址和操作数寻址，我们大多数说的寻址都是指后者，前者主要有顺序寻址和跳跃寻址两种，比较简单便不再赘述

操作数寻址的过程就是把寻址方式M和形式地址D的不同组合转换为有效地址的过程

立即寻址： 访问0次主存，操作数在指令中一起
直接寻址： 访问1次主存，操作数在主存中，D给出操作数所在主存地址
寄存器寻址： 访问0次主存，操作数在寄存器中，D给出操作数所在寄存器的编号
间接寻址： 访问2次主存，操作数在主存中，D给出间接地址，间接地址所指向的主存单元中的内容才是操作数的有效地址
寄存器间接寻址： 访问1次主存，操作数在主存中，D给出一个寄存器编号，这个寄存器里放的是操作数所在主存单元的地址

以下寻址方式则均是由某个寄存器的内容+偏移量得到操作数的有效地址，因此统称为偏移寻址(均访存一次)

相对寻址： 操作数在主存中，D为相对当前PC值(注意这里的PC已经指向下一条指令)的偏移量，用于形成操作数的主存地址：EA=(PC)+A，偏移量为补码表示
变址寻址： 操作数在主存中，指令中原来的形式地址段被分为变址寄存器编号n和形式地址D，形式地址D在指令执行过程中保持不变，变址寄存器n的内容可变，操作数的地址由变址寄存器的值+形式地址得到，多用于数组元素的访问：EA=(IX)+A
基址寻址： 二者的指令结构完全相同，只是这里的变址寄存器变为了基址寄存器，且其内容不可变，而形式地址D的值可变，具体区别如下：

概念	寄存器编号n	形式地址D
变址寻址	为变址寄存器，内容可变	值不可变
基址寻址	为基址寄存器(对用户透明)，内容不可变	值可变

此外还有一种特殊的寻址方式

堆栈寻址： 对存放在堆栈中的操作数进行寻址的方法称为堆栈寻址，分为以下两种
- 寄存器堆栈：在专用寄存器组中划分出一片区域按LIFO管理，也称硬堆栈
- 存储器堆栈：在主存空间中划分出一片区域按LIFO管理，也称软堆栈，需要一个特定寄存器来记录堆栈中存储单元的地址，该寄存器被称为堆栈指针(SP)

当然也可以把寻址方式复合起来(均访存两次)：

相对寻址+间接寻址：EA=((PC)+A)
变址寻址+间接寻址：EA=((IX)+A)
间接寻址+变址寻址：EA=(IX)+(A)

小题¶

1. 下列哪些内容属于ISA规定的内容¶

I.指令字格式和指令类型
II.CPU时钟周期
III.通用寄存器个数和位数
IV.加法器的进位方式

I和III是正确的(ISA可理解为软件可见部分)

2. 设计某指令系统时，采用16位定长指令字格式，包含0地址，1地址，2地址三种格式的指令，若2地址的指令有12条，1地址的指令有254条，则零地址指令的条数最多为¶

A.0
B.2
C.64
D.128

选D,带入下述公式即可得到答案

此题可以引出扩展指令中x地址指令条数的计算公式：

若指令长度位n位，每个地址占t位，有a条零地址指令，b条一地址指令，c条二地址指令，d条三地址指令

\[ a+b\times 2^t + c\times 2^{2t} + d\times 2^{3t} \leq 2^n \]

大题¶

2017¶

1. f1的机器指令代码占多少字节?¶

应该为末尾地址-初始地址+1，\((0040107F-00401020+1)_{16}=(127-32+1)_{10}=96_{10}\)

4. shl通过左移操作实现power2运算，在f2中能否也用shl指令实现power2? 为什么?¶

显然不能，理由为：

f2中变量power是float型，其机器数不包含最高有效数位，但包含了阶码部分，将其作为一个整体左移时不能实现乘以2的功能

2019¶

5. 满足什么条件时，OF=1，应该在imul后加一条什么指令?¶

若乘积的高33位不全为0或不全为1，则OF=1

应该在imul指令后加一条 "溢出自陷指令"，当OF=1时调出溢出异常处理程序

2023¶

2. 采用哪种寻址方式?给出计算过程¶

采用相对寻址方式，因为发现PC+2后加上指令中的09H得到的就是目的跳转地址，09H就是这里给出的相对于PC的偏移量，第七条分析同理

目标地址=0040 1079H+2+09H=0040 1084H

3. 源操作数采用什么寻址方式? ecx中存放的是什么，M采用的是大端还是小端?¶

第19条指令的源操作数为0AH，直接在机器指令0A 00 00 00给出，因此采用立即数寻址方式

此处的ecx和edx共同在二维数组中寻址，ecx其实相当于对行号寻址，这里需要注意的是数组中每个元素占4字节，因此ecx中存放的应为i*64*4=i*256

小端，直观看题可得

4. 是否发生缺页异常，为什么?¶

不会

因为第19条指令所在的该程序段都在页号为00401H的同一个页面中，执行第19条指令时，该页已在主存，因此取指令过程不会发生缺页异常

2024¶

1. 为什么shamt字段占5位?¶

通用寄存器宽度为32位，于是shamt占\(log_{2}32=5位\)

3. Ext的取值可以是1，也可以是0，为什么?¶

slli指令的移位位数只使用IR[31:20]中的低5位，与高位IR[31:25]及扩展出的位无关，所以Ext取值可为0或1

2010¶

1. MAR需要多少位¶

注意这里题目中为按字编址，因此可寻址范围为128KB/2B=2^16，因此MAR为16位

2. 转移地址的目标地址范围是多少?¶

记住其能表示整个存储空间(\(0000H \sim FFFFH\))

因为其可表示的相对偏移量为\(-2^{15} \sim 2^{15}-1\)，而主存地址空间为\(2^{16}\)

3. 哪些寄存器和存储单元会改变，改变后内容是什么?¶

这里不考虑PC的改变(取出指令时已递增)，因此改变的只有R5寄存器中的值和存储单元5678H中的值

分别变为5679H和68ACH

2021¶

1. ALU宽度为多少?¶

错误想法	正确认识
数据线 8 位 → ALU 8 位	❌
寄存器 16 位 → ALU ≥16 位	✅
总线限制运算能力	❌
总线限制访存带宽	✅

因为ALU是对寄存器中的内容进行运算的，其位数需要与寄存器宽度相等，而寄存器宽度与机器字长相等，因此为16位

2. I型和J型指令总共可定义多少种操作?¶

此处注意I型和J型共享6位的操作码，而000000已经被R型占用，因此总共只能定义64-1=63种操作