🏷️ 知识点：指令操作码
在微程序控制器中，微程序的入口地址是由（ ）形成的。
A. 机器指令的地址码字段 B. 微指令的微地址字段 C. 机器指令的操作码字段 D. 微指令的操作码字段
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正确答案：C
在微程序控制器中，微程序用于产生控制信号以执行机器指令。 当控制器开始执行一条新的机器指令时，需要确定该指令对应的微程序序列的起始地址，即入口地址。 这个入口地址的形成通常基于机器指令的操作码字段。
机器指令的操作码字段指明了指令的类型（如加法、跳转等），控制器通过操作码查询一个映射表（如微地址生成器或控制存储器地址转换逻辑），从而得到对应的微程序入口地址。 这个过程是微程序控制器中指令解码的关键步骤。
选项A不正确，因为机器指令的地址码字段主要用于指定操作数地址（如内存地址或寄存器编号），与微程序入口地址无关。 选项B不正确，微指令的微地址字段用于在微程序内部指定下一条微指令的地址（例如实现微程序分支），而不是形成整个微程序的初始入口。 选项D也不正确，微指令的操作码字段用于控制具体的微操作，不参与生成微程序入口地址。 因此，正确答案是C。
假定计算机 M 字长为 16 位，按字节编址，连接 CPU 和主存的系统总线中地址线为 20 位、数据线为 8 位，采用 16 位定长指令字，指令格式及其说明如下：
其中，op1~op3 为操作码，rs、rt 和 rd 为通用寄存器编号，R[r] 表示寄存器 r 的内容，imm 为立即数，target 为转移目标的形式地址。请回答下列问题。
(1) ALU 的宽度是多少位？可寻址主存空间大小为多少字节？指令寄存器、主存地址寄存器（MAR）和主存数据寄存器（MDR）分别应有多少位？
(2) R 型格式最多可定义多少种操作？I 型和 J 型格式总共最多可定义多少种操作？通用寄存器最多有多少个？
(3) 假定 op1 为 0010 和 0011 时，分别表示带符号整数减法和带符号整数乘法指令，则指令 01B2H 的功能是什么（参考上述指令功能说明的格式进行描述）？若 1、2、3 号通用寄存器当前内容分别为 B052H、0008H、0020H，则分别执行指令 01B2H 和 01B3H 后，3 号通用寄存器内容各是什么？各自结果是否溢出？
(4) 若采用 I 型格式的访存指令中 imm（偏移量）为带符号整数，则地址计算时应对 imm 进行零扩展还是符号扩展？
(5) 无条件转移指令可以采用上述哪种指令格式？
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1）ALU 的宽度为 16 位，ALU 的宽度即 ALU 运算对象的宽度，通常与字长相同。地址线为 20 位，按字节编址，可寻址主存空间大小为 2²⁰ 字节（或 1MB）。指令寄存器有 16 位，和单条指令长度相同。MAR 有 20 位，和地址线位数相同。MDR 有 8 位，和数据线宽度相同。
2）R 型格式的操作码有 4 位，最多有 2⁴（或 16）种操作。I 型和 J 型格式的操作码有 6 位，因为它们的操作码部分重叠，所以共享这 6 位的操作码空间，且前 6 位全 0 的编码已被 R 型格式占用，因此 I 和 J 型格式最多有 2⁶-1=63 种操作。从 R 型和 I 型格式的寄存器编号部分可知，只用 2 位对寄存器编码，因此通用寄存器最多有 4 个。
3）指令 01B2H=0000000110110010B 为一条 R 型指令，操作码 0010 表示带符号整数减法指令，其功能为 R[3]←R[1]-R[2]。执行指令 01B2H 后，R[3]=B052H-0008H=B04AH，结果未溢出。指令 01B3H=0000000110110011B，操作码 0011 表示带符号整数乘法指令，执行指令 01B3H 后，R[3]=R[1]×R[2]=B052H×0008H=8290H，结果溢出。
4）在进行指令的跳转时，可能向前跳转，也可能向后跳转，偏移量是一个带符号整数，因此在地址计算时，应对 imm 进行符号扩展。
5）无条件转移指令可以采用 J 型格式，将 tagt 部分写入 PC 的低 10 位，完成跳转。
(13分)某程序中有如下循环代码段P:“for (int i=0;i<N;i++)su m +=A[i];”。假设编译时变量sum 和i 分别分配在寄存器R1 和R2 中。常量N 在寄存器R6 中，数组A 的首地址在寄存器R3 中。程序段P 起始地址为08048100H, 对应的汇编代码和机器代码如下表所示。
| 编号 | 地址 | 机器代码 | 汇编代码 | 注释 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 08048100H | 00022080H | loop:sll R4,R2,2 | (R2)《2→R4 |
| 2 | 08048104H | 00083020H | add R4,R4,R3 | (R4)+(R3)→R4 |
| 3 | 08048108H | 8C850000H | load R5,0(R4) | ((R4)+0)→R5 |
| 4 | 0804810CH | 00250820H | add R1,R1,R5 | (R1)+(R5)→R1 |
| 5 | 08048110H | 20420001H | add R2,R2,1 | (R2)+1→R2 |
| 6 | 08048114H | 1446 FFFAH | bne R2,R6,loop | if (R2)≠(R6) goto loop |
执行上述代码的计算机 M 采用32位定长指令字，其中分支指令 bne 采用如下格式：
| 31 26 | 25 21 | 20 16 | 15 0 |
|---|---|---|---|
| OP | Rs | Rd | OFFSET |
OP为操作码，Rs 和Rd 为寄存器编号，OFFSET为偏移量，用补码表示。请回答下列问题，并说明理由。
(1)M 的存储器编址单位是什么?
(2)已知sll 指令实现左移功能，数组A 中每个元素占多少位?
(3)表中bne 指令的OFFSET 字段的值是多少?已知bne 指令采用相对寻址方式，当前PC内容为bne 指 令地址，通过分析题44表中指令地址和bne 指令内容，推断出bne指令的转移目标地址计算公式。
(4)若M 采用如下“按序发射、按序完成”的5级指令流水线：IF ( 取指)、ID ( 译码及取数)、EXE ( 执 行 ) 、MEM ( 访存)、 WB ( 写回寄存器),且硬件不采取任何转发措施，分支指令的执行均引起3个时 钟周期阻塞，则P 中那些指令的执行会由于数据相关而发生流水线阻塞?哪条指令的执行会发生控制冒 险?为什么指令1的执行不会因为与指令5的数据相关而发生阻塞?
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(1) 存储器编址单位为字节。因为每条指令占 4B，指令地址差为 4 个地址单位，故一个地址单位代表 1B。
(2) 数组 A 中每个元素占 32 位（4B）。sll 指令左移 2 位相当于乘 4，用于计算数组元素地址偏移，说明每个元素占 4B = 32 位。
(3) bne 指令的机器代码为 1446 FFFAH，后 2B 为 OFFSET 字段，值为 FFFAH（补码），即 -6。bne 指令地址为 08048114H，根据指令格式，转移目标地址计算公式为：(PC) + 4 + OFFSET × 4。执行 bne 时 PC 已自动加 4 变为 08048118H，-6 × 4 = -24，08048118H - 18H = 08048100H（loop 地址）。
(4) 由于数据相关而发生阻塞的指令为第 2、3、4、6 条。第 6 条指令会发生控制冒险。指令 1（sll）与指令 5（add R2,R2,1）之间没有数据相关，因为指令 1 写 R4，指令 5 写 R2，寄存器不同，不会发生阻塞。
在按字节编址的计算机 M 上，题 43 中 f1 的部分源程序（阴影部分）与对应的机器级代码（包括指令的虚拟地址）如下图所示。
int f1(unsigned n)
1 00401020 55 push ebp
... ... ...
for (unsigned i = 0; i <= n-1; i++) {
... ... ...
20 0040105E 39 4D F4 cmp dword ptr [ebp-0Ch],ecx
... ... ...
power *= 2;
... ... ...
23 00401066 D1 E2 shl edx,1
... ... ...
return sum;
... ... ...
35 0040107F C3 ret
其中，机器级代码行包括行号、虚拟地址、机器指令和汇编指令。
请回答下列问题。
(1) 计算机 M 是 RISC 还是 CISC？为什么？
(2) f1 的机器指令代码共占多少字节？要求给出计算过程。
(3) 第 20 条指令 cmp 通过 i 减 n-1 实现对 i 和 n-1 的比较。执行 f1(0) 过程中，当 i=0 时，cmp 指令执行后，进/借位标志 CF 的内容是什么？要求给出计算过程。
(4) 第 23 条指令 shl 通过左移操作实现了 power2 运算，在 f2 中能否也用 shl 指令实现 power2？为什么？
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（1）M 为 CISC。（1 分）M 的指令长短不一，不符合 RISC 指令系统特点。（1 分）
（2）f1 的机器代码为 96B。（1 分）因为 f1 的第一条指令 “push ebp” 所在的虚拟地址为 0040 1020H，最后一条指令 “ret” 所在的虚拟地址为 0040 107FH，所以，f1 的机器指令代码长度为：0040 107FH - 0040 1020H + 1 = 60H = 96B（1 分）
（3）CF = 1。（1 分）cmp 指令实现 i 与 n-1 的比较功能，进行的是减法运算。在执行 f1(0) 过程中，n=0，当 i=0 时，i=0000 0000H，并且 n-1=FFFF FFFFH。因此，当执行第 20 条指令时，在补码加/减运算器中执行的是 “0 - FFFF FFFFH” 的操作，即：0000 0000H + 0000 0000H + 1 = 0000 0001H。此时，进位输出 C=0，减法运算时的借位标志 CF = C ⊕ 1 = 1。（2 分）
（4）f2 中不能用 shl 指令实现 power * 2。（1 分）因为 shl 指令用来将一个整数的所有有效位作为一个整体左移；而 f2 中的变量 power 是 float 型，其机器数中不包含最高有效位，但包含了阶码部分，将其作为一个整体左移时并不能实现 “乘 2” 的功能。因此在 f2 中不能用 shl 指令实现 power * 2。（2 分）浮点数运算比整型运算要复杂，耗时也较长。