4.2.3 指令的寻址方式【2010统考真题】

好的，这是一道非常经典的计算机组成原理关于指令系统的综合题。它要求我们从指令格式出发，反向推导计算机的硬件规格，并能正向地将汇编指令翻译为机器码，最后模拟指令的执行过程。

我们来详细地解析这道题。

首先，附上题目原文：

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题目原文

4.2.3 指令的寻址方式

(6)【2010统考真题】某计算机字长为16位,主存地址空间大小为128KB,按字编址,采用单字长指令格式,指令各字段定义如下:

15	12	11	6	5	0
OP	Ms	Rs	Md	Rd

转移指令采用相对寻址方式,相对偏移量用补码表示,寻址方式定义见下表。

Ms/Md	寻址方式	助记符	含义
000B	寄存器直接	Rn	操作数 = (Rn)
001B	寄存器间接	(Rn)	操作数 = ((Rn))
010B	寄存器间接、自增	(Rn)+	操作数 = ((Rn)), (Rn) + 1 -> Rn
011B	相对	D(Rn)	转移目标地址 = (PC) + (Rn)

回答下列问题:

1. 该指令系统最多可有多少条指令？该计算机最多有多少个通用寄存器？存储器地址寄存器(MAR)和存储器数据寄存器(MDR)至少各需要多少位?
2. 转移指令的目标地址范围是多少?
3. 若操作码0010B表示加法操作(助记符为add),寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B,R4的内容为1234H,R5的内容为5678H,地址1234H中的内容为5678H,5678H中的内容为1234H,则汇编语句“add (R4),(R5)+”(逗号前为源操作数,逗号后为目的操作数)对应的机器码是什么(用十六进制表示)?该指令执行后,哪些寄存器和存储单元的内容会改变?改变后的内容是什么?

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综合解析

这道题是对指令系统设计与执行的“全方位”考察，覆盖了：

1. 指令格式分析: 从指令的二进制结构反推操作码、寻址方式和寄存器字段的位数，进而推断系统的硬件能力。
2. 存储器接口: 理解MAR和MDR的作用及其位数与主存地址空间和编址方式的关系。
3. 寻址方式计算: 特别是相对寻址的目标地址范围计算。
4. 指令翻译 (汇编->机器码): 能够根据给定的格式和操作数，将一条汇编指令精确地翻译成二进制/十六进制的机器码。
5. 指令执行模拟: 能够一步步模拟指令执行周期中的取操作数、运算、存结果、修改寄存器等过程，准确预测执行后的系统状态变化。

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三、解题思路与详细分析 (为什么怎么样？)

问题1分析：从指令格式推断硬件规格

1. 最多可有多少条指令？

   • 指令的数量由**操作码(OP)**字段的位数决定。
   • 从图中看，OP字段占位 15 到 12，共 15 - 12 + 1 = 4 位。
   • 2⁴ = 16。
   • 结论: 最多可有 16 条指令。

2. 最多有多少个通用寄存器？

   • 通用寄存器的数量由指令中用于指定寄存器编号的字段（Rs, Rd）的位数决定。
   • 源寄存器Rs字段占位 11 到 6，共 11 - 6 + 1 = 6 位。
   • 目的寄存器Rd字段占位 5 到 0，共 5 - 0 + 1 = 6 位。
   • 等等，这里有一个陷阱。寻址方式Ms/Md占了3位，寄存器编号Rn占了3位。所以Rs = Ms(3位) + Rn(3位) = 6位。
   • 我们仔细看寻址方式表，Rn代表寄存器。而指令格式中，Rs和Rd是操作数字段，它们内部再细分。
   • 更正理解: Ms和Md是寻址方式码，各占3位。Rs和Rd是寄存器编号，各占3位。这样 3+3+3+3=12位，加上4位OP码，正好16位。
   • 因此，用于指定寄存器的字段是 3位。
   • 2³ = 8。
   • 结论: 最多有 8 个通用寄存器。

3. MAR和MDR至少需要多少位？

   • MAR (Memory Address Register): 存储器地址寄存器，它的位数必须足以存放一个主存地址。
     • 主存大小为128KB，按字编址。字长为16位=2B。
     • 主存中的“字”的数量 = 128KB / 2B = (2⁷ * 2¹⁰) / 2 = 2¹⁶ 个字。
     • 为了能寻址到2¹⁶个不同的字，地址至少需要 16 位。
     • 结论: MAR至少需要 16 位。
   • MDR (Memory Data Register): 存储器数据寄存器，它的位数应该与存储字长一致，以便一次能读写一个完整的数据单元。
     • 题目明确指出“字长为16位”。
     • 结论: MDR至少需要 16 位。

问题2分析：转移指令的目标地址范围

• 寻址方式: 转移指令采用相对寻址，目标地址 = (PC) + 偏移量。
• 偏移量: 偏移量由源操作数字段 Ms+Rs (6位) 提供，用补码表示。
• PC: 程序计数器，字长16位，寻址范围是 0 到 2¹⁶-1。
• 计算偏移量范围:
  • 6位补码能表示的整数范围是 -2⁶⁻¹ 到 2⁶⁻¹ - 1，即 -32 到 31。
  • 这个偏移量是字偏移，因为是按字编址。
• 计算目标地址范围:
  • 目标地址的最小值发生在PC最小时，偏移量也最小。但由于PC是动态变化的，相对寻址的范围通常是相对于当前PC而言的。题目问的是绝对的目标地址范围。
  • 由于PC可以取0到2¹⁶-1的任何值，偏移量可以取-32到31的任何值，两者相加后，结果仍然可以覆盖整个 0 到 2¹⁶-1 的地址空间。
  • 例如，当 PC=0，偏移量为31时，可达31。当PC=2¹⁶-1，偏移量为-32时，可达2¹⁶-33。
• 结论: 转移指令可以寻址到整个主存空间，其目标地址范围是 0 到 2¹⁶-1 (或 0000H 到 FFFFH)。

问题3分析：指令翻译与执行

1. 汇编指令: add (R4), (R5)+

2. 分解指令:

   • 操作: add，操作码 OP = 0010。
   • 源操作数: (R4)
     • 寻址方式: 寄存器间接，Ms = 001。
     • 寄存器: R4，编号100。
     • 所以 Rs 字段是 100。
   • 目的操作数: (R5)+
     • 寻址方式: 寄存器间接、自增，Md = 010。
     • 寄存器: R5，编号101。
     • 所以 Rd 字段是 101。

3. 组合成机器码:

   • [OP] [Ms] [Rs] [Md] [Rd]
   • [0010] [001] [100] [010] [101]
   • 0010 0011 0001 0101 (二进制)
   • 2 3 1 5 (十六进制)
   • 结论: 对应的机器码是 2315H。

4. 模拟指令执行:

   • 取源操作数:
     • 寻址方式是 (R4)。
     • 先读取R4的内容，得到 1234H。
     • 然后以1234H为地址访问主存，读取其内容，得到 5678H。
     • 所以，源操作数 = 5678H。
   • 取目的操作数:
     • 寻址方式是 (R5)+。
     • 先读取R5的内容，得到 5678H。
     • 然后以5678H为地址访问主存，读取其内容，得到 1234H。
     • 所以，目的操作数 = 1234H。
   • 执行加法:
     • 结果 = 源操作数 + 目的操作数 = 5678H + 1234H = 68ACH。
   • 写回结果:
     • 结果要写回到目的操作数所在的地址，即 5678H。
     • 所以，存储单元 5678H 的内容被更新为 68ACH。
   • 执行自增:
     • 目的操作数寻址方式带自增+。
     • R5的内容在使用后（用于寻址）需要加1（因为是按字编址，地址+1就是下一个字）。
     • R5_new = (R5) + 1 = 5678H + 1 = 5679H。
     • 所以，寄存器 R5 的内容被更新为 5679H。

5. 总结改变的内容:

   • 寄存器 R5: 内容从 5678H 变为 5679H。
   • 存储单元 5678H: 内容从 1234H 变为 68ACH。

• 结论: R4和存储单元1234H的内容不变。R5 和 存储单元5678H 的内容会改变。改变后 R5 的内容是 5679H，存储单元 5678H 的内容是 68ACH。