6）单重分组跳跃进位是并行进位和串行进位技术的结合；双重分组跳跃进位是二级
并行进位技术；特别注意在位数较少时，双重分组跳跃进位可以采用全先行进位技术实现；位数较多时，可采用双重分组跳跃进位和串行进位技术结合实现。
第 七 章
0，RISC 和CISC 差异很大，它们主要有： （1） 指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 （2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。 （3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。 （4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。 （5） CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 （6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。 （7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 （8） 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。 1. 零地址指令的操作数来自哪里？？各举一例说明。 答：零地址指令的操作数来自ACC，为隐含约定。
在一地址指令中，另一个操作数的地址通常可采用ACC隐含寻址方式获得。
2. 对于二地址指令而言，操作数的物理地址可安排在什么地方？举例说明。
答：对于二地址指令而言，操作数的物理地址可安排在寄存器内、指令中或内存单元内等。 7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。 解：三地址指令格式如下：
4 4 4 4
OP A1 A2 A3
思路：以三地址指令格式为该指令系统的基本格式。以此格式为基础，采用扩展操作码技术，设计出题 解题
意所 要求的地址码结构的指令。 指 令操作码分配方案如下：
4位OP
0000，
??， A1，A2，A3；8条三地址指令 0111，
1000，0000，
??，??， A2，A3；16条二地址指令 1000，1111， 1001，0000，0000，
??，??，??， A3；100条一地址指令 1001，0110，0011， 1001，0110，0100，
??，??，??， 冗余编码
1001，1111，1111， 可用来扩充一、零地址指令条数 1010，
??， 冗余编码
1111， 可用来扩充三、二、一、零地址指令条数
8. 某机指令字长16位，每个操作数的地址码为6位，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种格式。若零地址指令有M条，一地址指令有N种，则二地址指令最多有几种？若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有几种？ 解：1）若采用定长操作码时，二地址指令格式如下：
OP（4位） A1（6位） 4A2（6位） 设二地址指令有K种，则：K=2-M-N
当M=1（最小值），N=1（最小值）时，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1=14种 3） 若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如1）所示，但操作码长度可随地址码的
个数而变。此时，K= 2 -（N/2 + M/2 ）；
当（N/2 + M/2 ）?1时（N/2 + M/2 向上取整），K最大，则二地址指令最多有：
Kmax=16-1=15种（只留一种编码作扩展标志用。）
11. 画出先变址再间址及先间址再变址的寻址过程示意图。 解：1）先变址再间址寻址过程简单示意如下： EA=[(IX)+A]，IX?(IX)+1
2）先间址再变址寻址过程简单示意如下：EA=(IX)+(A)，IX? (IX)+1
16. 某机主存容量为4M?16位，且存储字长等于指令字长，若该机指令系统可完成108种操作，操作码位数固定，且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等六种寻址方式，试回答：（1）画出一地址指令格式并指出各字段的作用； （2）该指令直接寻址的最大范围； （3）一次间址和多次间址的寻址范围； （4）立即数的范围（十进制表示）； （5）相对寻址的位移量（十进制表示）；
（6）上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短？哪一种最长？为什么？哪一种便于程序浮动？哪一种最适合处理数组问题？
（7）如何修改指令格式，使指令的寻址范围可扩大到4M？
（8）为使一条转移指令能转移到主存的任一位置，可采取什么措施？简要说明之。 解：（1）单字长一地址指令格式：
OP（7位） M（3位） A（6位） 6
12
6
12
4
6
12
OP为操作码字段，共7位，可反映108种操作； M为寻址方式字段，共3位，可反映6种寻址操作； A为地址码字段，共16-7-3=6位。 （2）直接寻址的最大范围为2=64。
（3）由于存储字长为16位，故一次间址的寻址范围为2；若多次间址，需用存储字的最高位来区别是否继续间接寻址，故寻址范围为2。
（4）立即数的范围为-32——31（有符号数），或0——63（无符号数）。 （5）相对寻址的位移量为-32——31。
（6）上述六种寻址方式中，因立即数由指令直接给出，故立即寻址的指令执行时间最短。间接寻址在指令的执行阶段要多次访存(一次间接寻址要两次访存，多次间接寻址要多次访存)，故执行时间最长。变址寻址由于变址寄存器的内容由用户给定，而且在程序的执行过程中允许用户修改，而其形式地址始终不变，故变址寻址的指令便于用户编制处理数组问题的程序。相对寻址操作数的有效地址只与当前指令地址相差一定的位移量，与直接寻址相比，更有利于程序浮动。
（7）方案一：为使指令寻址范围可扩大到4M，需要有效地址22位，此时可将单字长一地址指令的格式改为双字长，如下图示：
OP（7位） MOD（3位） A（低16位） 方案二：如果仍采用单字长指令（16位）格式，为使指令寻址范围扩大到4M，可通过段寻址方案实现。安排如下：
硬件设段寄存器DS（16位），用来存放段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后，得有效地址EA（6位），再由硬件自动完成段寻址，最后得22位物理地址。 即：物理地址=（DS）?2 + EA
注：段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬件自动
完成，对用户是透明的。
方案三：在采用单字长指令（16位）格式时，还可通过页面寻址方案使指令寻址范围扩
大到4M。安排如下：
硬件设页面寄存器PR（16位），用来存放页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当需要使指令寻址范围扩大到4M时，编程选择页面寻址方式，则：EA =（PR）‖A （有效地址=页面地址“拼接”6位形式地址），这样得到22位有效地址。
（8）为使一条转移指令能转移到主存的任一位置，寻址范围须达到4M，除了采用(7) 方案一中的双字长一地址指令的格式外，还可配置22位的基址寄存器或22位的变址寄存器，使EA = (BR) + A （BR为22位的基址寄存器)或EA =（IX）+ A(IX为22位的变址寄存器)，便可访问4M存储空间。还可以通过16位的基址寄存器左移6位再和形式地址A相加，也可达到同样的效果。
总之，不论采取何种方式，最终得到的实际地址应是22位。
19. 某CPU内有32个32位的通用寄存器，设计一种能容纳64种操作的指令系统。假设指令字长等于机器字长，试回答以下问题：
（1）如果主存可直接或间接寻址，采用寄存器—存储器型指令，能直接寻址的最大存储空间是多少？画出指令格式并说明各字段的含义。
（2）在满足（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，则上述寄存器—存储器型指令的指令格式有何特点？画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间？ 解：（1）如采用RS型指令，则此指令一定是二地址以上的地址格式，指令格式如下：
OP（6位） R（5位） I(1位) A（20位） 6
15
16
6
A（高6位） 操作码字段OP占6位，因为2>=64；
寄存器编号R占5位，因为2>=32；
间址位I占1位，当I=0，存储器寻址的操作数为直接寻址，当I=1时为间接寻址； 形式地址A占20位，可以直接寻址2字。
（2）如采用基址寻址，则指令格式中应给出基址寄存器号，以指定哪一个通用寄存器用作基址寄存器。指令格式变为： OP（6位） 源R（5位） I（1位） 32
20
5
6
X（1位） 目标R（5位） A（14位） 增加寻址特征位X，当X=1时，以目标寄存器R作为基址寄存器进行基址寻址。 基址寻址可访问存储空间为：2字。
6. 某机字长16位，存储器直接寻址空间为128字，变址时的位移量为-64~+63，16个通用寄存器均可作为变址寄存器。采用扩展操作码技术，设计一套指令系统格式，满足下列寻址类型的要求： （1）直接寻址的二地址指令3条； （2）变址寻址的一地址指令6条； （3）寄存器寻址的二地址指令8条； （4）直接寻址的一地址指令12条； （5）零地址指令32条。 试问还有多少种代码未用？若安排寄存器寻址的一地址指令，最多还能容纳多少
条？
解：题意分析： 设指令字长=机器字长，128字的直接寻址空间要求形式地址A为7位，-64~+63的位移量也需7位（6位加1位符号位），16个通用寄存器作变址寄存器需4
位变址寄存器号，则指令格式为： （1）直接寻址的二地址指
令： 2 7 7
（3）寄存器寻址的二地址指令： 8 4 4
（6）若安排寄存器寻址的一地址指令，指令格式应
为： 12 4
操作码编码分配： 0 0 0 1 A1，A2； 3条直接寻址的二地址指令。 1 0 1 1 0 0 0 …… …… IX，A；6条变址寻址的一地址指令。 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 …… …… …… Ri，Rj； 1 1 1 1 0 1 1 1 8条寄存器寻址的二地址指令。 1 1 1 1 1 0 0 0 0 …… …… …… A； 1 1 1 1 1 1 0 1 1 12条直接寻址
的一地址指令。
续： 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 …… …… …… …… Ri； 1 1 1 1 1 1
1 1 0 1 1 1 30条寄存器寻址的 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 一地址指令。 …… …… …… …… （利用30个冗余编码） 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 …… …… …… …… …… 32
条0地址 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 指令
不画所设计的指令格式图，只分配指令操作码编码。 ?讨论： 指令格式中安排寻址方式
字段，例： 2 3 4 7 ?
评注：这是一道指令格式设计题，本题已给出了各种指令所需的条数，因此，在根据题意画出各种指令的格式后，剩下的工作就是要为每一条指令分配编码。在采用扩展操作码技术分配指令编码时，扩展的基本方法是在所设计的指令系统中，选定一种操作码位数最少的指令格式作为基本格式，然后在这种基本格式的基础上进行操作码编码的扩展。为便于硬件译码结构的实现，编码分配应尽量做到有序、有规律。特别是扩展标志码的选择，应尽量采用特征较强的编码，象全?1?编码等。另外，应在某类指令的编码全部安排完后，再考虑安排扩展标志码，以避免漏排或重码
等不必要的混乱。
第八章
1、什么是中断
在CPU运行过程中，由于内部或外部某个随机事件的发生，使CPU暂停正在运行的程序，而转去执行处理引起中断事件的程序，完成后返回原来的程序继续执行。这个过程称为中断。 2. 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？ 解：指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。
由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。
4. 设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU。
（1）画出完成间接寻址的取数指令LDA@X（将主存某地址单元X的内容取至AC中）的数据流（从取指令开始）。
（2）画出中断周期的数据流。
解：CPU中的数据流向与所采用的数据通路结构直接相关，不同的数据通路中的数据流是不一样的。常用的数据通路结构方式有直接连线、单总线、双总线、三总线等形式，目前大多采用总线结构，直接连线方式仅适用于结构特别简单的机器中。
为简单起见，本题采用单总线将题中所给部件连接起来，框图如下：
busPCMARSPMDRCUIRAC地址线数据线控制线?
（1）LDA@X指令周期数据流程图：
PC→MARM(MAR)→MDR(MDR)→IRPC+1→PCAd(IR)→MARM(MAR)→MDRMDR→Ad(IR)Ad(IR)→MARM(MAR)→MDRMDR→AC（2）中断周期流程图如下：