計(jì)算機(jī)組成原理第九、十章答案

1、控制單元控制單元CU 3. 什么是什么是指令周期指令周期、機(jī)器周期機(jī)器周期和和時鐘周期時鐘周期？三者有何關(guān)系？三者有何關(guān)系？ 解：解：CPU每取出并執(zhí)行一條指令所需的全每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫部時間叫指令周期指令周期；機(jī)器周期是在同步控制的機(jī)；機(jī)器周期是在同步控制的機(jī)器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作（指器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作（指令步）所需時間，通常安排令步）所需時間，通常安排機(jī)器周期長度機(jī)器周期長度=主存主存周期周期；時鐘周期是指計(jì)算機(jī)主時鐘的周期時間，；時鐘周期是指計(jì)算機(jī)主時鐘的周期時間，它是計(jì)算機(jī)運(yùn)行時最基本的時序單位，對應(yīng)完成它是計(jì)算機(jī)運(yùn)行時最基本的時序

2、單位，對應(yīng)完成一個微操作所需時間，通常一個微操作所需時間，通常時鐘周期時鐘周期=計(jì)算機(jī)主計(jì)算機(jī)主頻的倒數(shù)。頻的倒數(shù)。一個指令周期包含若干個機(jī)器周期一個機(jī)器周期包含若干個時鐘周期 4. 能不能說機(jī)器的能不能說機(jī)器的主頻越快主頻越快，機(jī)器，機(jī)器的的速度就越快速度就越快，為什么？，為什么？ 解：解：不能說不能說機(jī)器的主頻越快，機(jī)器機(jī)器的主頻越快，機(jī)器的速度就越快。因?yàn)闄C(jī)器的速度的速度就越快。因?yàn)闄C(jī)器的速度不僅與主不僅與主頻有關(guān)頻有關(guān)，還與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、時序分配方，還與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、時序分配方案、案、ALU運(yùn)算能力、指令功能強(qiáng)弱等多運(yùn)算能力、指令功能強(qiáng)弱等多種因素有關(guān)，要看種因素有關(guān)，要看綜合效果。綜

3、合效果。 5. 設(shè)機(jī)器設(shè)機(jī)器A的主頻為的主頻為8MHz，機(jī)器周，機(jī)器周期含期含4個個時鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)時鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度是行速度是0.4MIPS，試求該機(jī)的，試求該機(jī)的平均指令平均指令周期和機(jī)器周期周期和機(jī)器周期，每個指令周期中含，每個指令周期中含幾個幾個機(jī)器周期？如果機(jī)器機(jī)器周期？如果機(jī)器B的主頻為的主頻為12MHz，且機(jī)器周期也含且機(jī)器周期也含4個個時鐘周期，試問時鐘周期，試問B機(jī)機(jī)的的平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度為多少為多少M(fèi)IPS? 解：先通過解：先通過A機(jī)的機(jī)的平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度求出其求出其平均指令周期平均指令周期，再通過，再通過主頻主頻求

4、出求出時時鐘周期鐘周期，然后進(jìn)一步求出，然后進(jìn)一步求出機(jī)器周期機(jī)器周期。B機(jī)機(jī)參數(shù)的算法與參數(shù)的算法與A機(jī)類似。機(jī)類似。 計(jì)算如下：計(jì)算如下：A機(jī)平均指令周期機(jī)平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5s A機(jī)時鐘周期機(jī)時鐘周期=1/8MHz=125ns A機(jī)機(jī)器周期機(jī)機(jī)器周期=125ns4=500ns=0.5sA機(jī)每個指令周期中含機(jī)器周期個數(shù)機(jī)每個指令周期中含機(jī)器周期個數(shù) =2.5s0.5s=5個個B機(jī)時鐘周期機(jī)時鐘周期 =1/12MHz 83nsB機(jī)機(jī)器周期機(jī)機(jī)器周期 =83ns4 =332ns 設(shè)設(shè)B機(jī)每個指令周期也含機(jī)每個指令周期也含5個機(jī)器周期，個機(jī)器周期，則：則：B機(jī)平均指令周期機(jī)平

5、均指令周期=332ns5=1.66sB機(jī)平均指令執(zhí)行速度機(jī)平均指令執(zhí)行速度=1/1.66s =0.6MIPS 結(jié)論結(jié)論：主頻的提高：主頻的提高有利于有利于機(jī)器執(zhí)行速度的提機(jī)器執(zhí)行速度的提高。高。 6. 設(shè)某計(jì)算機(jī)的設(shè)某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為主頻為8MHz，每個，每個機(jī)器周期平均含機(jī)器周期平均含2個個時鐘周期，每條指令平均有時鐘周期，每條指令平均有2.5個個機(jī)器周期，試問該機(jī)的機(jī)器周期，試問該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度為多少為多少M(fèi)IPS？若機(jī)器主頻？若機(jī)器主頻不變不變，但每個機(jī)器周，但每個機(jī)器周期平均含期平均含4個個時鐘周期，每條指令平均有時鐘周期，每條指令平均有5個個機(jī)機(jī)器周期，則該

6、機(jī)的器周期，則該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度又是多少又是多少M(fèi)IPS？由此可得出什么？由此可得出什么結(jié)論結(jié)論？ 解：先通過主頻求出解：先通過主頻求出時鐘周期時鐘周期，再求出，再求出機(jī)機(jī)器周期器周期和和平均指令周期平均指令周期，最后通過平均指令周期，最后通過平均指令周期的的倒數(shù)倒數(shù)求出平均指令執(zhí)行速度。計(jì)算如下：求出平均指令執(zhí)行速度。計(jì)算如下：時鐘周期時鐘周期=1/8MHz=0.12510-6 =125ns機(jī)器周期機(jī)器周期=125ns2=250ns平均指令周期平均指令周期=250ns2.5=625ns平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度=1/625ns=1.6MIPS 當(dāng)參數(shù)改變后：當(dāng)參數(shù)改

7、變后：機(jī)器周期機(jī)器周期= 125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期平均指令周期=0.5s5=2.5s 平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度=1/2.5s=0.4MIPS 結(jié)論：結(jié)論：兩個主頻相同的機(jī)器，執(zhí)行速度兩個主頻相同的機(jī)器，執(zhí)行速度不一定一樣不一定一樣。 7. 某某CPU的主頻為的主頻為8MHz，若已知每個，若已知每個機(jī)器周期平均包含機(jī)器周期平均包含4個個時鐘周期，該機(jī)的平時鐘周期，該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，試求該機(jī)的，試求該機(jī)的平平均指令周期均指令周期及每個指令周期含幾個及每個指令周期含幾個機(jī)器周期機(jī)器周期？若改用時鐘周期為若改用時鐘周期為0.4s的的

8、CPU芯片，則計(jì)芯片，則計(jì)算機(jī)的算機(jī)的平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度為多少為多少M(fèi)IPS？若要？若要得到平均每秒得到平均每秒40萬次萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用采用主頻主頻為多少的為多少的CPU芯片？芯片？ 解：先通過解：先通過主頻主頻求出求出時鐘周期時鐘周期時間，再進(jìn)時間，再進(jìn)一步求出一步求出機(jī)器周期機(jī)器周期和和平均指令周期。平均指令周期。 時鐘周期時鐘周期=1/8MHz=0.12510-6 =125ns 機(jī)器周期機(jī)器周期=125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期平均指令周期=1/0.8MIPS =1.25 10-6=1.25s 每個指令周期所含機(jī)器周期個數(shù)每個

9、指令周期所含機(jī)器周期個數(shù) = 1.25s/0.5s=2.5個個 當(dāng)芯片改變后，相應(yīng)參數(shù)變?yōu)椋寒?dāng)芯片改變后，相應(yīng)參數(shù)變?yōu)椋?機(jī)器周期機(jī)器周期=0.4s4=1.6s 平均指令周期平均指令周期=1.6s2.5=4s 平均指令執(zhí)行速度平均指令執(zhí)行速度=1/4s =0.25MIPS 若要得到平均每秒若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用的主頻為：度，則應(yīng)采用的主頻為： 平均指令周期平均指令周期=1/0.4MIPS =2.5 10-6=2.5s 機(jī)器周期機(jī)器周期=2.5s2.5=1s 時鐘周期時鐘周期= 1s4=0.25s 主頻主頻=1/0.25s=4MHz 11. 設(shè)設(shè)CPU內(nèi)

10、部結(jié)構(gòu)如圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.4所示，此外所示，此外還設(shè)有還設(shè)有B、C、D、E、H、L六個寄存器，它六個寄存器，它們各自的們各自的輸入和輸出端輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，都與內(nèi)部總線相通，并分別受控制信號并分別受控制信號控制控制（如（如Bi為寄存器為寄存器B的輸?shù)妮斎肟刂?；入控制；Bo為為B的輸出控制）。要求從取指的輸出控制）。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的令開始，寫出完成下列指令所需的控制信號控制信號。（1）ADD B，C；(B)+(C) B)（2）SUB A，H；(AC)-(H) AC) 解：先畫出相應(yīng)指令的流程圖，然后將解：先畫出相應(yīng)指令的流程圖，然后將圖中每一步數(shù)據(jù)通路操作圖中

11、每一步數(shù)據(jù)通路操作分解分解成相應(yīng)的微操成相應(yīng)的微操作，再作，再寫出寫出同名的微命令即可。同名的微命令即可。（1） ADD B，C指令流程及微命令序列如下：指令流程及微命令序列如下： PCMARMM讀讀PC+1 PC Bo，YiCo，ALUi，+Zo，Bi（2） SUB A，H指令流程及微命令序列如下：指令流程及微命令序列如下： PCMARMM讀讀PC+1 PC Ho，YiACo，ALUi，Zo，ACi控制單元的設(shè)計(jì)控制單元的設(shè)計(jì) 1. 假設(shè)響應(yīng)中斷時，要求將程序斷點(diǎn)存在假設(shè)響應(yīng)中斷時，要求將程序斷點(diǎn)存在堆棧堆棧內(nèi)，并且采用內(nèi)，并且采用軟件辦法軟件辦法尋找中斷服務(wù)程序?qū)ふ抑袛喾?wù)程序的入口地址，

12、試寫出的入口地址，試寫出中斷隱指令中斷隱指令的的微操作微操作及及節(jié)節(jié)拍拍安排。安排。 解：設(shè)軟件查詢程序首址為解：設(shè)軟件查詢程序首址為0號號內(nèi)存單元，內(nèi)存單元，則中斷隱指令的微操作命令及節(jié)拍安排如下：則中斷隱指令的微操作命令及節(jié)拍安排如下：T0 0EINT，SPMART1 PCMDR，0 -W，SP+1SPT2 SPMAR，MDRM（MAR）T3 PSWMDR，0 -W，SP+1SPT4 0PC，MDRM（MAR） 由于題意中沒有給出確切的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，由于題意中沒有給出確切的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，故上述節(jié)拍分配方案的故上述節(jié)拍分配方案的并行性較低并行性較低。 2. 寫出完成下列指令的寫出完成下列指令

13、的微操作及節(jié)拍安微操作及節(jié)拍安排排（包括取指操作）。（包括取指操作）。 （1）指令）指令A(yù)DD R1，X完成將完成將R1寄存寄存器的內(nèi)容和主存器的內(nèi)容和主存X單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存于于R1的操作。的操作。 （2）指令）指令I(lǐng)SZ X完成將主存完成將主存X單元的內(nèi)單元的內(nèi)容增容增1，并根據(jù)其結(jié)果若為，并根據(jù)其結(jié)果若為0，則跳過下一條，則跳過下一條指令執(zhí)行。指令執(zhí)行。 解：該題題意中解：該題題意中沒有指定數(shù)據(jù)通路沒有指定數(shù)據(jù)通路，因，因此排序前應(yīng)先設(shè)定一下。在此設(shè)采用此排序前應(yīng)先設(shè)定一下。在此設(shè)采用單總線單總線結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的的CPU數(shù)據(jù)通路，且數(shù)據(jù)通路，且ALU輸入端設(shè)兩個輸入端

14、設(shè)兩個暫存器暫存器C、D（見（見17題圖）。并設(shè)采用題圖）。并設(shè)采用同步同步控制控制，每周期，每周期3節(jié)拍：節(jié)拍： （1）指令）指令A(yù)DD R1，X的微操作及節(jié)拍的微操作及節(jié)拍安排如下：安排如下： 取指周期：取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期執(zhí)行周期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 R1C，M(MAR)MDR T2 MDRD 執(zhí)行周期執(zhí)行周期2： T0 T1 T2 +，ALUR1 （2）指令）指令I(lǐng)SZ X的微操作及節(jié)拍安排的微操作及節(jié)拍安排（取指周期同（取指周期同（1），略）：），略）： 執(zhí)行周期執(zhí)行周

15、期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRC 執(zhí)行周期執(zhí)行周期2： T0 +1，ALUMDR T1 0 -W T2 MDRM(MAR) (PC+1)Z （設(shè)（設(shè)Z為結(jié)果為為結(jié)果為0標(biāo)志）標(biāo)志） 該指令的操作在一個執(zhí)行周期做不完，因該指令的操作在一個執(zhí)行周期做不完，因此安排了此安排了兩個兩個執(zhí)行周期。執(zhí)行周期。 3. 按序?qū)懗霭葱驅(qū)懗鱿铝谐绦蛩璧娜肯铝谐绦蛩璧娜课⒉僮髅罴肮?jié)拍安排。微操作命令及節(jié)拍安排。 解：由于題意解：由于題意未明確要求未明確要求采用何種控采用何種控制器結(jié)構(gòu)，故仍按較簡單的組合邏輯時序制器結(jié)構(gòu)，故仍按較簡單的組合邏輯時序關(guān)系安排節(jié)拍（

16、單總線、同步控制，假設(shè)關(guān)系安排節(jié)拍（單總線、同步控制，假設(shè)同上題）：同上題）： LDA指令：指令： 取指周期：取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期：執(zhí)行周期： T0 206(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRAC ADD指令：指令：取指周期：同上。取指周期：同上。 執(zhí)行周期執(zhí)行周期1： T0 207(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR，ACC T2 MDRD 執(zhí)行周期執(zhí)行周期2： T0 T1 T2 +，ALUAC BAN指令：指令：取指周期：同上。取指周期：同上。 執(zhí)行周期：執(zhí)行周

17、期： （設(shè)（設(shè)N為結(jié)果為負(fù)標(biāo)志）為結(jié)果為負(fù)標(biāo)志） T0 T1 T2 N204(IR)PC STA指令：指令： 取指周期：同上。取指周期：同上。 執(zhí)行周期：執(zhí)行周期： T0 205(IR)MAR T1 ACMDR，0 -W T2 MDRM(MAR) STP指令：指令： 取指周期：同上。取指周期：同上。 執(zhí)行周期：執(zhí)行周期： T0 T1 T2 0G （G為停機(jī)標(biāo)志。）為停機(jī)標(biāo)志。） 4. 已知已知帶返轉(zhuǎn)指令帶返轉(zhuǎn)指令的含義如下圖的含義如下圖所示，寫出機(jī)器在完成帶返轉(zhuǎn)指令時，所示，寫出機(jī)器在完成帶返轉(zhuǎn)指令時，取指階段和執(zhí)行階段所需的取指階段和執(zhí)行階段所需的全部全部微操作微操作及節(jié)拍安排。及節(jié)拍安排。

18、 主程序主程序 子程序子程序 解：解：假設(shè)同上題，假設(shè)同上題，仍按組合邏輯、單總?cè)园唇M合邏輯、單總線、同步控制安排，帶返轉(zhuǎn)指令的全部微操線、同步控制安排，帶返轉(zhuǎn)指令的全部微操作及節(jié)拍如下：作及節(jié)拍如下： 取指周期：取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期：執(zhí)行周期： T0 K(IR)MAR T1 M+1MDR，0 -w T2 MDRM(MAR) K+1PC 10. 能否說水平型微指令就是能否說水平型微指令就是直接直接編碼的微指令編碼的微指令，為什么？，為什么？ 解：解：不能說水平型微指令就是直接不能說水平型微指令就是直

19、接編碼的微指令編碼的微指令，因?yàn)榉纤叫臀⒅噶?，因?yàn)榉纤叫臀⒅噶钐卣鞯奈⒅噶疃紝儆谒叫臀⒅噶睿Ｌ卣鞯奈⒅噶疃紝儆谒叫臀⒅噶?，常見的有：直接編碼、字段直接編碼、字見的有：直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼，及混合編碼等。段間接編碼，及混合編碼等。直接編碼直接編碼的微指令只是最典型的一種。的微指令只是最典型的一種。 13. 設(shè)控制存儲器的容量為設(shè)控制存儲器的容量為51248位位，微程序可在整個控存空間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，而控微程序可在整個控存空間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，而控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共有制微程序轉(zhuǎn)移的條件共有4個個（采用（采用直接控直接控制制），微指令格式如下：），微指令格式如下： 17. 假設(shè)機(jī)器

20、的假設(shè)機(jī)器的主要部件主要部件有：程序計(jì)數(shù)有：程序計(jì)數(shù)器器PC，指令寄存器，指令寄存器IR，通用寄存器，通用寄存器R0、R1、R2、R3，暫存器，暫存器C、D，ALU，移位器，存，移位器，存儲器地址寄存器儲器地址寄存器MAR，存儲器數(shù)據(jù)寄存器，存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR及存儲矩陣及存儲矩陣M。 （1）要求采用）要求采用單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)畫出包含上畫出包含上述部件的述部件的硬件框圖硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。，并注明數(shù)據(jù)流動方向。 （2）畫出）畫出ADD（R1），（），（R2）指令在指令在取指階段和執(zhí)行階段的取指階段和執(zhí)行階段的信息流程圖信息流程圖。 R1寄存寄存器存放源操作數(shù)地址，器存放源操作數(shù)

21、地址，R2寄存器存放目的操寄存器存放目的操作數(shù)的地址。作數(shù)的地址。 （3）寫出對應(yīng)該流程圖所需的全部）寫出對應(yīng)該流程圖所需的全部微微操作命令操作命令。 解：解： （1）采用）采用單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)的的CPU硬件框硬件框圖如下：圖如下：（2）ADD（R1），（），（R2） （3）對應(yīng)該流）對應(yīng)該流程圖所程圖所 指令流程圖如下：指令流程圖如下： 需的全部微操需的全部微操作命令。作命令。 PCMARMM讀讀PC+1 PC R1o，MARi1 R MDRo，CiR2o，MARi1 RMDRo，DiMM讀讀MM讀讀+，MDRi0 -W公操作公操作MM寫寫 18. 假設(shè)機(jī)器的主要部件同假設(shè)機(jī)器的主要部件

22、同17題，題，外加外加一個控制門一個控制門G。 （1）要求采用）要求采用雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)（每組總線（每組總線的數(shù)據(jù)流動方向是的數(shù)據(jù)流動方向是單向的單向的），畫出包含上述），畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。 （2）畫出）畫出SUB R1，R3完成完成（R1）-（R3）R1操作的指令周期信息流程圖操作的指令周期信息流程圖（假設(shè)指令地址已放在（假設(shè)指令地址已放在PC中），并列出相中），并列出相應(yīng)的應(yīng)的微操作控制信號序列。微操作控制信號序列。 解：解： （1）雙總線結(jié)構(gòu)雙總線結(jié)構(gòu)的的CPU硬件框圖硬件框圖如下如下： （2） SUB R1，R3指令

23、周期流程圖如指令周期流程圖如下：下：PCMARMM讀讀PC+1 PC R1o，G，CiR2o，G，Di-，G，R1i 19. 下表給出下表給出8條微指令條微指令I(lǐng)1I8及所包含及所包含的微命令控制信號，設(shè)計(jì)微指令操作控制的微命令控制信號，設(shè)計(jì)微指令操作控制字段格式，要求字段格式，要求所使用的控制位最少所使用的控制位最少，而，而且保持微指令本身內(nèi)在的且保持微指令本身內(nèi)在的并行性并行性。 解：為使設(shè)計(jì)出的微指令操作控制字段解：為使設(shè)計(jì)出的微指令操作控制字段最短最短，并且保持，并且保持微指令本身內(nèi)在的微指令本身內(nèi)在的并行性并行性，應(yīng)采用，應(yīng)采用混合編碼法混合編碼法。首先找出。首先找出互斥互斥的微命令組，