指令系统练习题

练习 1

简述定长操作码和扩展操作码的区别。

参考答案

定长操作码和扩展操作码的区别：

操作码长度：
- 定长操作码：操作码长度固定
- 扩展操作码：操作码长度可变
硬件复杂度：
- 定长操作码：译码简单，硬件实现简单
- 扩展操作码：译码复杂，硬件实现复杂
执行效率：
- 定长操作码：执行快速，并行处理能力强
- 扩展操作码：执行较慢，需要多级译码
空间效率：
- 定长操作码：空间浪费，某些指令不需要所有地址码
- 扩展操作码：空间效率高，充分利用指令空间
灵活性：
- 定长操作码：灵活性差，难以适应复杂指令
- 扩展操作码：灵活性高，支持不同复杂度的指令
扩展性：
- 定长操作码：扩展性差
- 扩展操作码：扩展性好，便于增加新指令

练习 2

举例说明直接寻址和间接寻址的区别。

参考答案

直接寻址和间接寻址的区别：

直接寻址：

地址码即为操作数地址
格式：LOAD R1, [1000]
含义：从地址 1000 加载数据到寄存器 R1
访存次数：1 次
地址计算：直接使用地址码

间接寻址：

地址码存放操作数地址的地址
格式：LOAD R1, [[1000]]
含义：从地址 1000 的内容作为地址，再加载数据到寄存器 R1
访存次数：2 次
地址计算：先取地址，再取数据

举例说明：假设内存内容：

地址 1000：存储值 2000
地址 2000：存储值 42

直接寻址：LOAD R1, [1000] → R1 = 2000 间接寻址：LOAD R1, [[1000]] → R1 = 42

练习 3

什么是基址寻址和变址寻址？

参考答案

基址寻址：

有效地址 = 基址寄存器 + 偏移量
基址寄存器存放基地址
偏移量在指令中指定
支持程序重定位
扩大地址范围

变址寻址：

有效地址 = 变址寄存器 + 基地址
变址寄存器存放索引值
基地址在指令中指定
支持数组访问
循环控制方便

区别：

寄存器作用：
- 基址寻址：基址寄存器存放基地址
- 变址寻址：变址寄存器存放索引值
应用场景：
- 基址寻址：程序重定位、地址转换
- 变址寻址：数组访问、循环控制
地址计算：
- 基址寻址：基地址 + 偏移量
- 变址寻址：基地址 + 索引值

练习 4

CISC 与 RISC 的主要区别是什么？

参考答案

CISC 与 RISC 的主要区别：

指令特点：
- CISC：指令复杂，功能强大，长度可变
- RISC：指令简单，功能单一，长度固定
硬件实现：
- CISC：微程序控制，译码复杂，多周期执行
- RISC：硬布线控制，译码简单，单周期执行
软件支持：
- CISC：代码密度高，编译简单，兼容性好
- RISC：代码密度低，编译复杂，兼容性差
性能特点：
- CISC：执行效率低，硬件复杂，难以流水线
- RISC：执行效率高，硬件简单，便于流水线
应用场景：
- CISC：桌面计算、服务器、嵌入式系统
- RISC：移动设备、高性能计算、物联网

练习 5

指令的有效地址如何计算？

参考答案

指令的有效地址计算方法：

立即寻址：
- 有效地址 = 指令中的立即数
- 无需计算，直接使用
直接寻址：
- 有效地址 = 地址码
- 直接使用地址码作为地址
间接寻址：
- 有效地址 = [地址码]
- 先取地址码的内容作为地址
寄存器寻址：
- 有效地址 = 寄存器内容
- 直接使用寄存器值
寄存器间接寻址：
- 有效地址 = [寄存器内容]
- 先取寄存器内容作为地址
基址寻址：
- 有效地址 = 基址寄存器 + 偏移量
- 基址寄存器内容加上偏移量
变址寻址：
- 有效地址 = 变址寄存器 + 基地址
- 变址寄存器内容加上基地址
相对寻址：
- 有效地址 = PC + 偏移量
- 程序计数器加上偏移量

练习 6

分析题：分析不同寻址方式对指令执行效率的影响。

参考答案

不同寻址方式对指令执行效率的影响：

立即寻址：
- 效率：最高，无需访存
- 应用：常量赋值、立即数运算
- 限制：操作数大小受限
寄存器寻址：
- 效率：很高，无需访存
- 应用：频繁访问的数据
- 限制：寄存器数量有限
直接寻址：
- 效率：中等，需要一次访存
- 应用：访问固定地址的数据
- 限制：地址范围受限
寄存器间接寻址：
- 效率：中等，需要一次访存
- 应用：数组访问、指针操作
- 优势：支持动态地址
间接寻址：
- 效率：较低，需要两次访存
- 应用：指针操作、动态寻址
- 优势：支持复杂地址计算
基址寻址：
- 效率：中等，需要一次访存
- 应用：程序重定位、地址转换
- 优势：支持程序重定位
变址寻址：
- 效率：中等，需要一次访存
- 应用：数组处理、循环控制
- 优势：支持数组访问
相对寻址：
- 效率：中等，需要一次访存
- 应用：跳转指令、分支指令
- 优势：支持程序重定位

优化建议：

优先使用立即寻址和寄存器寻址
合理使用寄存器，减少访存次数
根据应用特点选择合适的寻址方式

练习 7

计算题：假设有一个 32 位指令系统，采用定长操作码格式，操作码 8 位，地址码 24 位，计算支持的指令数量和地址范围。

参考答案

计算过程：

指令数量：
- 操作码位数：8 位
- 支持的指令数量：2^8 = 256 条指令
地址范围：
- 地址码位数：24 位
- 地址范围：0 到 2^24 - 1 = 0 到 16,777,215
- 地址空间：16MB
指令格式：
```
[操作码(8位)] [地址码(24位)]
```
分析：
- 指令数量适中，满足基本需求
- 地址范围较大，支持大程序
- 格式简单，便于硬件实现

练习 8

设计题：设计一个支持数组访问的指令系统，要求支持基址寻址和变址寻址。

参考答案

指令系统设计：

寄存器设计：
- 基址寄存器：BR（Base Register）
- 变址寄存器：IR（Index Register）
- 通用寄存器：R0-R15

指令格式：

[操作码(8位)] [目标寄存器(4位)] [基址寄存器(4位)] [变址寄存器(4位)] [偏移量(12位)]

寻址方式：
- 基址寻址：有效地址 = BR + 偏移量
- 变址寻址：有效地址 = IR + 基地址
- 基址变址寻址：有效地址 = BR + IR + 偏移量

指令示例：

; 基址寻址
LOAD R1, BR, 100    ; R1 = [BR + 100]

; 变址寻址
LOAD R2, IR, 200    ; R2 = [IR + 200]

; 基址变址寻址
LOAD R3, BR, IR, 50 ; R3 = [BR + IR + 50]

优势：
- 支持数组访问
- 支持程序重定位
- 支持循环控制
- 地址计算灵活