例题分析

1.假设某计算机字长32位，CPU有32个32位的通用寄存器，指令长度为单字长，指令操作码占6位。请问：

(1)对于存储器直接寻址方式的R-S型指令，能直接寻址的最大主存空间是多少?

(2)对于采用通用寄存器作为基址寄存器的R-S型指令，则能直接寻址的最大主存空间是多少?

参考答案：

(1)能直接寻址的最大主存空间是2²¹字。

(2)能直接寻址的最大主存空间是2³²字。

简要分析：

指令字长为32位，指令操作码部分占6位，32个通用寄存器，其编号为5位。

(1)存储器直接寻址的R-S型指令的一个操作数在寄存器中，所以指令中有一个5位的寄存器编号，另外一个地址码是直接地址占：32-6-5=21位。所以，能直接寻址的最大主存空间是2²¹字。

(2)基址寻址的R-S型指令的一个操作数在寄存器中，另外一个操作数在基址寻址的内存单元中，因为采用通用寄存器作为基址寄存器，所以必须在指令中明显指出基址寄存器是哪个通用寄存器，所以基址寄存器的编号占5位，剩下的位数（32 – 6 - 5 – 5 = 6位）是位移量。通用寄存器的位数是32位，所以基址寄存器中的基准地址位数是32位。一个32位的数加上一个6位的数，其结果还是一个32位的数。所以，能直接寻址的最大主存空间是2³²字。

2.采用相对寻址方式的转移指令占两个字节，第一字节是操作码，第二字节是相对位移量（用补码表示）。CPU在执行指令时，每次CPU从存储器取出一个字节，并自动完成（PC）+1→PC。假设执行到该转移指令时PC的内容为200AH，如果要求转移到2000H地址，则该转移指令第二字节的内容应为多少？（用十六进制表示）

参考答案：该转移指令第二字节的内容应为F4H。

简要分析：

执行到该转移指令时PC的内容为200AH，那么CPU取出第一字节的操作码后，PC的内容为200BH，取出第二字节的位移量后，PC的内容为200CH，然后执行该转移指令，计算转移目标地址。因为转移目标地址为2000H，所以，此时的位移量应该是2000 - 200C = - 0CH，用补码表示为：100H-0CH=F4H。

3.设某指令系统的指令字是16位，每个地址码为6位。若二地址指令15条，一地址指令48条，则剩下的零地址指令最多有多少条？

参考答案：剩下的零地址指令最多有1024条。

简要分析：

操作码按短到长进行扩展编码：

二地址指令：

一个地址码占6位，所以两个地址码占12位，剩下的操作码占 4位。共有16种编码，15条指令用掉15种编码（0000 ~1110），还剩一种编码（1111）；

一地址指令：

高4位操作码是1111，最低6位是一个地址码，剩下的中间操作码还有6位。

可以有64种编码，指令条数是48，所以还剩16种编码未用。其操作码的编码

方式如下：

1111 0 00000 ~ 1111 0 11111 （32种编码分配给32条指令）

1111 1 0 0000 ~ 1111 1 0 1111 （16种编码分配给16条指令）

零地址指令：

零地址指令的高10位操作码的编码空间如下：

1111 1 1 0000 ~ 1111 1 1 1111

高10位共有16种编码可用，再加上低6位的64种编码，一共可组合成16x64=1024种编码，可以分别分配给1024种指令。

故剩下的零地址指令最多有1024条。

4.假设某指令的一个操作数采用一次间接寻址方式，指令中给出的地址码为2000H，地址为2000H的内存单元中的内容为3000H，地址为3000H的内存单元的内容为4000H，而4000H单元的内容为5000H，则该操作数的有效地址是多少？该操作数的值是多少？

参考答案：

操作数的有效地址应该是3000H；

操作数的值应该是4000H。

简要分析：

一次间接寻址方式的指令中给出的地址码是一个间接地址，即：操作数地址的地址。所以，操作数的有效地址应该是地址码2000H中的内容，即：3000H；有效地址所指出的内存单元的内容是操作数本身，即：4000H是操作数。

5.考虑下面的C代码：for(i=0;i<=100;i=i+1;) {a[i]=b[i]+c;}假定a和b是字数组，a的基址在$a0中，b的基址在$a1中。寄存器$t0和$s0分别对应变量i和c。要求写出与之对应的MIPS代码并计算这段代码运行时要执行多少条指令？执行时要调用多少次存储器数据？（练习3.11）

分析如下：

这段代码应该分成以下两个部分：初始化、循环体

初始化阶段：i（$t0）初始化为0、循环步长（$t1）为4（假定在程序装入时常数4已装入内存，其地址标号为AddressConstant4）、循环截止条件（$t2）为401（假定在程序装入时常数401已装入内存，其地址标号为AddressConstant401）。变量c从内存（地址在$s0）取出到$t3中（但如果假定c已经在寄存器$s0中，则不需要这步）。其汇编代码序列为：

　　add $t0, $zero, $zero # Temp reg $t0 = 0

　　lw $t1, AddressConstant4($zero) # Temp reg $t2 = 4

　　lw $t2, AddressConstant401($zero) # Temp reg $t3 = 401

　　lw $t3, 0($s0) # Temp reg $t1 = c

　　bne $t8, $zero, Loop # go to Loop if i<=100

循环体内部：要实现赋值语句和循环变量的增量以及出循环判断等，其汇编代码如下：

Loop: add $t4, $a1, $t0 # Temp reg $t4 = address of b[i]

　 lw $t5, 0($t4) # Temp reg $t5 = b[i]

　 add $t6, $t5, $t3 # Temp reg $t6 = b[i] + c

　 add $t7, $a0, $t0 # Temp reg $t7 = address of a[i]

　 sw $t6, 0($t7) # a[i] = b[i] + c

　 add $t0, $t0, $t1 # i = i + 4

　 slt $t8, $t0, $t2 # $t8 = 1 if $t0 < 401, i.e., i<=100

　 bne $t8, $zero, Loop # go to Loop if i<=100

总的指令条数为：4 + 101 x 8 = 812. 其中，访问存储器的次数（即访存指令条数）为3 + 101 x 2 = 205.

思考：

1.如果在初始化时不将读取变量c的操作放到循环外，而是放在循环内的话，则总的指令条数和访存次数为多少？（在此体验编译器可以如何对循环体进行优化!）

2.如果循环变量i不是每次加4进行变化，而是加1，则在计算数组下标时汇编代码序列有什么变化？总的指令条数和访存次数为多少？