計算機組成原理第5章習題參考答案

1、第5章習題參考答案1 .請在括號內(nèi)填入適當答案.在CPU中：保存當前正在執(zhí)行的指令的存放器是IR;2保存當前正在執(zhí)行的指令地址的存放器是AR算術邏輯運算結(jié)果通常放在DR和通用存放器.2 .參見圖的數(shù)據(jù)通路.畫出存數(shù)指令"STORl,R2的指令周期流程圖,其含義是將存放器Rl的內(nèi)容傳送至R2歷地址的主存單元中.標出各微操作信號序列.4總線E總線解：STOR1,R2指令流程圖及為操作信號序列如下:STOR1,(R2)(PC)-AR(M)-DR(DR)-IR(R2)fAR(R1)fDR(DR)-MPCo,G,ARiR/W=RDRo,G,IRiR20,G,ARiR10,G,DRiR/W=W3

2、 .參見圖的數(shù)據(jù)通路,畫出取數(shù)指令Lad(R3),R0的指令周期流程圖,其含義是將(R3)為地址主存單元的內(nèi)容取至存放器R2中,標出各微操作限制信號序列.解：LADR3,(R曲指令流程圖及為操作信號序列如下:LAD(R3),R0PCo,G,ARiR/W=RDRo,G,IRiR30,G,ARiR/W=RDRo,G,Roi4 .假設主脈沖源頻率為10MHz,要求產(chǎn)生5個等間隔的節(jié)拍脈沖,試畫出時序產(chǎn)生器的邏輯圖.解:5 .如果在一個CPU周期中要產(chǎn)生3個節(jié)拍脈沖；Ti=200ns,T2=400ns,T3=200ns,試畫出時序產(chǎn)生器邏輯圖.解：取節(jié)拍脈沖Ti、T2、T3的寬度為時鐘周期或者是時鐘周

3、期的倍數(shù)即可.所以取時鐘源提供的時鐘周期為200ns,即,其頻率為5MHz.;由于要輸出3個節(jié)拍脈沖信號,而T3的寬度為2個時鐘周期,也就是一個節(jié)拍電位的時間是4個時鐘周期,所以除了C4外,還需要3個觸發(fā)器C、C2、C3;并令T1CiC2；T1C2C3；T3C1C3,由此可畫出邏輯電路圖如下:Tf6 .假設某機器有80條指令,平均每條指令由4條微指令組成,其中有一條取指微指令是所有指令公用的.微指令長度為32位,請估算限制存儲器容量.解：80條指令,平均每條指令由4條微指令組成,其中有一條公用微指令,所以總微指令條數(shù)為80(4-1)+1=241條微指令,每條微指令32位,所以控存容量為：241

4、32位7 .某ALU器件是用模式限制碼MS3&SC來限制執(zhí)行不同的算術運算和邏輯操作.下表列出各條指令所要求的模式限制碼,其中y為二進制變量,小為0或l任選.試以指令碼(A,B,H,D,E,F,G)為輸入變量,寫出限制參數(shù)M,S3,S,C的邏輯表達式指令碼MS3S2SiCA,B100110H,D01101E0010yF0111yG1011解：由表可列如下邏輯方程M=G9=H+D+F&=A+B+D+H+E+F+GS=A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8 .某機有8條微指令I1-I8,每條微指令所包含的微命令限制信號如下表所示caj分別對應10種不同性質(zhì)的微命令信號.假設一條微指

5、令的限制字段僅限為8位,請安排微指令的限制字段格式.微指令abcdefghijIiI2I3I4I5I6I7I8解：由于有10種不同性質(zhì)的微命令信號,如果采用直接表示法那么需要10位控制字段,現(xiàn)限制字段僅限于8位,那么,為了壓縮限制字段的長度,必須設法把一個微指令周期中的互斥性微命令組合在一個小組中,進行分組譯碼.經(jīng)分析,(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同時出現(xiàn)的互斥信號,所以可將其通過2:4譯碼后輸出三個微命令信號(00表示該組所有的微命令均無效),而其余四個微命令信號用直接表示方式.因此可用下面的格式安排限制字段.e

6、fhbijacdgXXXX或：efhdijabcgXXXX或：fhibgjacdeXXXX9 .微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達式如下:NA8=R&T4NA7=RIRT4A6=P>CT4其中NA8pA6為微地址存放器相應位,Pl和自為判別標志,C為進位標志,1陡和IR為指令存放器的相應位,T4為時鐘周期信號.說明上述邏輯表達式的含義,畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖.解：叱A8=PiIR-T4表示微地址的第8位在Pi有效時,用IR6設置A7=Pi-IR5-T4表示微地址的第7位在Pi有效時,用IR5設置aA=P?C,T4表小微地址的第6位在P2有效時,用進位標志C設置,地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：AAbAA7AA

7、610 .某計算機有如下部件,ALU,移位器,主存M,主存數(shù)據(jù)存放器MDR,主存地址存放器MAR,指令存放器IR,通用存放器R3R3,暫存器C和Do(1)請將各邏輯部件組成一個數(shù)據(jù)通路,并標明數(shù)據(jù)流動方向.(2)畫出“ADDRi,R2'指令的指令周期流程圖.解：(1)設該系統(tǒng)為單總線結(jié)構(gòu),暫存器C和D用于ALU的輸入端數(shù)據(jù)暫存,移位器作為ALU輸出端的緩沖器,可對ALU的運算結(jié)果進行附加操作,那么數(shù)據(jù)通路可設計如下：(2)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路,可畫出ADDRi,R2'(設R1為目的存放器)的指令周期流程圖如下:ADDR1,R2(PC)-MAR(M)-MDR(MDR)IRPC+1(

8、R1)-C(R2)-D(C)+(D)-移位器(移位器)-R111 .某機采用微程序限制方式,控存容量為512*48位.微程序可在整個控存中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移,限制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個,微指令采用水平型格式,后繼微指令地址采用斷定方式.請問；(1)微指令的三個字段分別應為多少位(2)畫出對應這種微指令格式的微程序限制器邏輯框圖.解：(1)由于容量為512*48位,所以下址字段需用9位,限制微程序轉(zhuǎn)移的條件有4個,所以判別測試字段需4位或(3位譯碼),因此操作限制字段的位數(shù)48-9-4=35位(或48-9-3=36位)(2)微程序限制器邏輯框圖參見教材圖12 .今有4級流水線,分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)

9、、運算、送結(jié)果四步操作.今假設完成各步操作的時間依次為100ns,100ns,80ns,50ns.請問；(1)流水線的操作周期應設計為多少(2)假設相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關,而且在硬件上不采取舉措,那么第2條指令要推遲多少時間進行(3)如果在硬件設計上加以改良,至少需推遲多少時間(1)流水操作周期為max(100,100,80,50)=100ns(2)假設相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關,而且在硬件上不采取舉措,那么在第1條指令“送結(jié)果步驟完成后,第2條指令的“取數(shù)步驟才能開始,也就是說,第2條指令要推遲兩個操作周期,即200ns才能進行.(3)如果在硬件設計上加以改良,采用定向傳送的技術,那么只要第

10、1條指令完成“運算的步驟,第2條指令就可以“取數(shù)了,因此至少需推遲100ns.13 .指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)訪存(MEM)、寫回存放器堆(WB)五個過程段,共有20條指令連續(xù)輸入此流水線.(1)畫出流水處理的時空圖,假設時鐘周期為100ns.(2)求流水線的實際吞吐率(單位時間里執(zhí)行完畢的指令數(shù)).(3)求流水線的加速比.解：(1)流水處理的空圖如下,其中每個流水操作周期為100ns：空間SibIi1I2I15II16I17:1I181I19LJWBIiI2I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3I16I17I18I19I20I20IiI2I3I4I

11、17I18I19I20IiI2I3I4I5I18I19I20IiI2I3I4I5I6I19I20EXIDIF123456192021222324時間T(2)流水線的實際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+119=24個流水周期,共2400ns,所以實際吞吐率為：20一舁8.333百萬條指令/秒240010(3)流水線的加速比為：設流水線操作周期為j那么n指令串行經(jīng)過k個過程段的時間為n*k*r而n條指令經(jīng)過可并行的k段流水線時所需的時間為(k+n-1)*故20條指令經(jīng)過5個過程段的加速比為：4.1720551914.用時空圖法證實流水計算機比非流水計算機具有更高的吞吐率.解：設流水計算機的指令流水線

12、分為4個過程段：IF、ID、EXWB,那么流水計算機的時空圖如下：空間S11tt1IiI2I3I4I5IiI2I3I4I5I6IiI2I3I4I5I6I7IiI2I3I4I5I6I7I8WBEXIDIF78345612IiI2I3I4I5時間T8個操作周期內(nèi),流水計算機執(zhí)行完了5條指令,而2條指令；由此,可看出流水計算機比非流水計算機非流水計算機的時空圖:由圖中可以看出,同樣的非流水計算機只執(zhí)行完了具有更高的吞吐率.15.用定量描述法證實流水計算機比非流水計算機具有更高的吞吐率證實：設流水計算機具有k級流水線,每個操作周期的時間為,執(zhí)行n條指令的時間為：Tkn1；吞吐率為：Hinkn1而非流水

13、計算機,執(zhí)行n條指令的時間為：Tnk;吞吐率為：H2-nnkH1nknkH2kn1kn1當n=1時,H1H2;當n>1時,H1H2,即：流水計算機具有更高的吞吐率.16.判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(1) I1LADR1,A;M(A)一R1,M(A)是存儲器單元I2ADDR2,Rl;(R2)+(R1戶R2(2) I1ADDR3,R4;(R3)+(R4)>R3I2MULR4,R5;(R4)(R5戶R4(3) I1LADR6,B;M(B)一R6,M(B)是存儲器單元I2MULR6,R7;(R6)(R7)>R6解：(1) I1的運算結(jié)果應該先寫入R,然后再在I2中讀取

14、R的內(nèi)容作為操作數(shù),所以是發(fā)生RAW(“寫后讀)相關(2) WARRAWWAW兩種相關17.參考圖所示的超標量流水線結(jié)構(gòu)模型,現(xiàn)有如下6條指令序列:I1LADR1,B；M(B)一R1,M(B)是存儲器單元I2SUBR2,Rl；(R2)-(R1HR2I3MULR3,R4；(R3)*(R4戶R3I4ADDR4,R5；(R4)+(R5-R4I5LADR6,A；M(A)一R6,M(A)是存儲器單元I6ADDR6,R7;(R6)+(R7)>R6請畫出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進情況圖'(2)按序發(fā)射按序完成的流水線時空圖解：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進情況圖如下(仍設F、D段要求成對輸入；F、D、W段只需1個周期；加需要2個