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)
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26=64。
(3)由于存储字长为16位,故一次间址的寻址范围为216;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215。
(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(高6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)´26 + 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。
(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)
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26=64。
(3)由于存储字长为16位,故一次间址的寻址范围为216;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215。
(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(高6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)´26 + 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。