【正文】 （6）上述六種尋址方式的指令哪一種執(zhí)行時間最短？哪一種最長？為什么？哪一種便于程序浮動？哪一種最適合處理數(shù)組問題？ （7）如何修改指令格式，使指令的尋址范圍可擴(kuò)大到4M？ （8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，可采取什么措施？簡要說明之。解：（1）單字長一地址指令格式： OP（7位）M（3位）A（6位） OP為操作碼字段，共7位，可反映108種操作； M為尋址方式字段，共3位，可反映6種尋址操作； A為地址碼字段，共1673=6位。（2）直接尋址的最大范圍為26=64。 （3）由于存儲字長為16位，故一次間址的尋址范圍為216；若多次間址，需用存儲字的最高位來區(qū)別是否繼續(xù)間接尋址，故尋址范圍為（4）立即數(shù)的范圍為32——31（有符號數(shù)），或0——63（無符號數(shù)）。 （5）相對尋址的位移量為32——31。 （6）上述六種尋址方式中，因立即數(shù)由指令直接給出，故立即尋址的指令執(zhí)行時間最短。間接尋址在指令的執(zhí)行階段要多次訪存(一次間接尋址要兩次訪存，多次間接尋址要多次訪存)，故執(zhí)行時間最長。變址尋址由于變址寄存器的內(nèi)容由用戶給定，而且在程序的執(zhí)行過程中允許用戶修改，而其形式地址始終不變，故變址尋址的指令便于用戶編制處理數(shù)組問題的程序。相對尋址操作數(shù)的有效地址只與當(dāng)前指令地址相差一定的位移量，與直接尋址相比，更有利于程序浮動。（7）方案一：為使指令尋址范圍可擴(kuò)大到4M，需要有效地址22位，此時可將單字長一地址指令的格式改為雙字長，如下圖示：OP（7位）MOD（3位）A（高6位）A（低16位） 方案二：如果仍采用單字長指令（16位）格式，為使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M，可通過段尋址方案實(shí)現(xiàn)。安排如下： 硬件設(shè)段寄存器DS（16位），用來存放段地址。在完成指令尋址方式所規(guī)定的尋址操作后，得有效地址EA（6位），再由硬件自動完成段尋址，最后得22位物理地址。 即：物理地址=（DS）180。26 + EA 注：段尋址方式由硬件隱含實(shí)現(xiàn)。在編程指定的尋址過程完成、EA產(chǎn)生之后由硬件自動完成，對用戶是透明的。方案三：在采用單字長指令（16位）格式時，還可通過頁面尋址方案使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M。安排如下： 硬件設(shè)頁面寄存器PR（16位），用來存放頁面地址。指令尋址方式中增設(shè)頁面尋址。當(dāng)需要使指令尋址范圍擴(kuò)大到4M時，編程選擇頁面尋址方式，則：EA =（PR）‖A （有效地址=頁面地址“拼接”6位形式地址），這樣得到22位有效地址。（8）為使一條轉(zhuǎn)移指令能轉(zhuǎn)移到主存的任一位置，尋址范圍須達(dá)到4M，除了采用(7) 方案一中的雙字長一地址指令的格式外，還可配置22位的基址寄存器或22位的變址寄存器，使EA = (BR) + A （BR為22位的基址寄存器)或EA =（IX）+ A(IX為22位的變址寄存器)，便可訪問4M存儲空間。還可以通過16位的基址寄存器左移6位再和形式地址A相加，也可達(dá)到同樣的效果。 總之，不論采取何種方式，最終得到的實(shí)際地址應(yīng)是22位。 19. 某CPU內(nèi)有32個32位的通用寄存器，設(shè)計一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長等于機(jī)器字長，試回答以下問題： （1）如果主存可直接或間接尋址，采用寄存器—存儲器型指令，能直接尋址的最大存儲空間是多少？畫出指令格式并說明各字段的含義。 （2）在滿足（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，則上述寄存器—存儲器型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲空間？解：（1）如采用RS型指令，則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） 操作碼字段OP占6位，因?yàn)?6=64；寄存器編號R占5位，因?yàn)?5=32；間址位I占1位，當(dāng)I=0，存儲器尋址的操作數(shù)為直接尋址，當(dāng)I=1時為間接尋址；形式地址A占20位，可以直接尋址220字。（2）如采用基址尋址，則指令格式中應(yīng)給出基址寄存器號，以指定哪一個通用寄存器用作基址寄存器。指令格式變?yōu)椋篛P（6位）源R（5位）I（1位）X（1位）目標(biāo)R（5位）A（14位） 增加尋址特征位X，當(dāng)X=1時，以目標(biāo)寄存器R作為基址寄存器進(jìn)行基址尋址。 基址尋址可訪問存儲空間為：232字。第八章1. CPU有哪些功能？畫出其結(jié)構(gòu)框圖并簡要說明各個部件的作用。答：。2. 什么是指令周期？指令周期是否有一個固定值？為什么？解：指令周期是指取出并執(zhí)行完一條指令所需的時間。 由于計算機(jī)中各種指令執(zhí)行所需的時間差異很大，因此為了提高CPU運(yùn)行效率，即使在同步控制的機(jī)器中，不同指令的指令周期長度都是不一致的，也就是說指令周期對于不同的指令來說不是一個固定值。3. 畫出指令周期的流程圖，分析說明圖中每個子周期的作用。答：。4. 設(shè)CPU內(nèi)有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU。 （1）畫出完成間接尋址的取數(shù)指令LDA@X（將主存某地址單元X的內(nèi)容取至AC中）的數(shù)據(jù)流（從取指令開始）。 （2）畫出中斷周期的數(shù)據(jù)流。解：CPU中的數(shù)據(jù)流向與所采用的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，不同的數(shù)據(jù)通路中的數(shù)據(jù)流是不一樣的。常用的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)方式有直接連線、單總線、雙總線、三總線等形式，目前大多采用總線結(jié)構(gòu)，直接連線方式僅適用于結(jié)構(gòu)特別簡單的機(jī)器中。為簡單起見，本題采用單總線將題中所給部件連接起來，框圖如下：175。 （1）LDA@X指令周期數(shù)據(jù)流程圖：（2）中斷周期流程圖如下：注：解這道題有兩個要素，首先要根據(jù)所給部件設(shè)計好數(shù)據(jù)通路，即確定信息流動的載體。其次選擇好描述數(shù)據(jù)流的方法，無論采用什么樣的表達(dá)方式，其關(guān)鍵都要能清楚地反映數(shù)據(jù)在通路上流動的順序，即強(qiáng)調(diào)一個“流”字。較好的表達(dá)方式是流程圖的形式。5. 中斷周期前是什么階段？中斷周期后又是什么階段？在中斷周期CPU應(yīng)完成什么操作？答：中斷周期前是執(zhí)行周期，中斷周期后是取指周期。在中斷周期，CPU應(yīng)完成保存斷點(diǎn)、將中斷向量送PC和關(guān)中斷等工作。7. 什么叫系統(tǒng)的并行性？粗粒度并行和細(xì)粒度并行有何區(qū)別？答：所謂并行性包含同時性和并發(fā)性。同時性是指兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生，并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間段發(fā)生。即在同一時刻或同一時間段內(nèi)完成兩個或兩個以上性質(zhì)相同或性質(zhì)不同的功能，只要在時間上存在相互重疊，就存在并行性。并行性又分為粗粒度并行和細(xì)粒度并行兩類。粗粒度并行是指在多個處理機(jī)上分別運(yùn)行多個進(jìn)程，由多臺處理機(jī)合作完成一個程序，一般用算法實(shí)現(xiàn)。細(xì)粒度并行是指在處理機(jī)的指令級和操作級的并行性。8. 什么是指令流水？畫出指令二級流水和四級流水的示意圖，它們中哪個更能提高處理機(jī)速度，為什么？答：指令流水是指將一條指令的執(zhí)行過程分為n個操作時間大致相等的階段，每個階段由一個獨(dú)立的功能部件來完成，這樣n個部件就可以同時執(zhí)行n條指令的不同階段，從而大大提高CPU的吞吐率。指令二級流水和四級流水示意圖如下： 四級流水更能提高處理機(jī)的速度。分析如下： 假設(shè)IF、ID、EX、WR每個階段耗時為t，則連續(xù)執(zhí)行n條指令采用二級流水線時，耗時為：4t+(n1)2t=(2n+2)t采用四級流水線時，耗時為：4t+(n1)t=(n+3)t在n1時，n+32n+2，可見四級流水線耗時比二級流水線耗時短，因此更能提高處理機(jī)速度。17. 在中斷系統(tǒng)中INTR、INT、EINT三個觸發(fā)器各有何作用？解：INTR——中斷請求觸發(fā)器，用來登記中斷源發(fā)出的隨機(jī)性中斷請求信號，以便為CPU查詢中斷及中斷排隊判優(yōu)線路提供穩(wěn)定的中斷請求信號。EINT——中斷允許觸發(fā)器，CPU中的中斷總開關(guān)。當(dāng)EINT=1時，表示允許中斷（開中斷），當(dāng)EINT=0時，表示禁止中斷（關(guān)中斷）。其狀態(tài)可由開、關(guān)中斷等指令設(shè)置。INT——中斷標(biāo)記觸發(fā)器，控制器時序系統(tǒng)中周期狀態(tài)分配電路的一部分，表示中斷周期標(biāo)記。當(dāng)INT=1時，進(jìn)入中斷周期，執(zhí)行中斷隱指令的操作。24. 現(xiàn)有A、B、C、D四個中斷源，其優(yōu)先級由高向低按A、B、C、D順序排列。若中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時間為20181。s，請根據(jù)下圖所示時間軸給出的中斷源請求中斷的時刻，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。解：A、B、C、D的響優(yōu)先級即處理優(yōu)先級。CPU執(zhí)行程序的軌跡圖如下：25. 某機(jī)有五個中斷源L0、LL LL4，按中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序由高向低排序?yàn)長0174。 L1174。L2174。L3174。L4，根據(jù)下示格式，現(xiàn)要求中斷處理次序改為L1174。L4174。L2174。L0174。L3，根據(jù)下面的格式，寫出各中斷源的屏蔽字。解：各中斷源屏蔽狀態(tài)見下表：中斷源屏蔽字01234I010010I111111I210110I300010I410111表中：設(shè)屏蔽位=1，表示屏蔽；屏蔽位=0，表示中斷開放。26. 設(shè)某機(jī)配有A、B、C三臺設(shè)備，其優(yōu)先順序按A174。B174。C降序排列，為改變中斷處理次序，它們的中斷屏蔽字設(shè)置如下：設(shè)備屏蔽字A111B010C011 請按下圖所示時間軸給出的設(shè)備請求中斷的時刻，畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡。設(shè)A、B、C中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時間均為20m s。解：A、B、C設(shè)備的響應(yīng)優(yōu)先級為A最高、B次之、C最低，處理優(yōu)先級為A最高、C次之、B最低。CPU執(zhí)行程序的軌跡圖如下：