计算机组成原理-第二版-唐朔飞著-课后习题详解(10)

解：

64<78<128，所以操作码最少要取7位，则地址码最多取9位。

若想寻址范围扩大到216，则可以采取双字长指令、间接选址、寄存器间接寻址等方法

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） 操作码字段OP占6位，因为26>=64； 寄存器编号R占5位，因为25>=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220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） 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：232字。

20 什么是RISC？简述它的主要特点。

解：RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80 年代的MIPS主机（即RISC 机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。 主要特点：

(1)选取使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用但又不复杂的指令，让复杂指令的功能由频度高的简单指令的组合来实现。

(2)指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

(3)只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成。 (4)CPU中有多个通用寄存器。

(5)采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期。 (6)控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制。 (7)采用优化的编译程序。

21 比较RISC和CISC。

解：（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。

第8章 CPU的结构和功能

1. CPU有哪些功能？画出其结构框图并简要说明各个部件的作用。

答：解：CPU的主要功能是执行存放在主存储器中的程序即机器指令.CPU是由控制器和运算器. ALU状态标志内部CPU数据总线寄存器移位取反算术和布尔逻辑CU控制信号中断系统 ALU：实现算逻运算 寄存器：存放操作数 CU：发出各种操作命令序列的控制部件 中断系统：处理异常情况和特殊请求 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。

3. 画出指令周期的流程图，分析说明图中每个子周期的作用。取指周期有间址吗？是否间址周期否执行周期有中断吗？是否中断周期

指令周期流程图 取指周期：取指令 间址周期：取有效地址

执行周期：取操作数（当指令为访存指令时） 中断周期：保存程序断点

答：

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