第五部分中央處理器-例題

1、時鐘時鐘功能功能有效控制信號有效控制信號C1MAR（PC）PCout ,MARinC2MDRM（MAR）PC （PC）+1MemR, MDRinPC+1C3IR （MDR）MDRout , IRinC4指令譯碼指令譯碼無無時鐘時鐘功能功能有效控制信號有效控制信號C1MAR（PC）PCout ,MARinC2MDRM（MAR）PC （PC）+1MemR, MDRinEPC+1C3IR （MDR）MDRout , IRinC4指令譯碼指令譯碼無無C5MAR（R1）R1out , MARinC6MDRM（MAR）MemR, MDRinEC7A （MDR）MDRout , AinC8AC（R0）+AR

2、0out , Add, ACinC9MDR（AC）ACout , MDRinC10M（MAR）（MDR） MDRoutE, MemWl下圖是一個簡化的下圖是一個簡化的CPU與主存連接結構示意圖與主存連接結構示意圖(圖中省略了所有多路選擇器圖中省略了所有多路選擇器)。其中有一個累。其中有一個累加寄存器加寄存器AC、一個狀態(tài)寄存器和其他四個寄、一個狀態(tài)寄存器和其他四個寄存器：主存地址寄存器存器：主存地址寄存器MAR、 主存數(shù)據寄主存數(shù)據寄存器存器MDR、程序計數(shù)器、程序計數(shù)器PC和指令寄存器和指令寄存器IR，各部件及其之間的連線表示數(shù)據通路，箭頭表各部件及其之間的連線表示數(shù)據通路，箭頭表示信息傳送

3、方向。要求：示信息傳送方向。要求：l(1)請寫出圖中請寫出圖中a、b、c、d四個寄存器的名稱。四個寄存器的名稱。l(2)簡述圖中指令從主存取到控制器的過程。簡述圖中指令從主存取到控制器的過程。l(3)說明數(shù)據從主存取出、運算、寫回主存所經說明數(shù)據從主存取出、運算、寫回主存所經過的數(shù)據通路過的數(shù)據通路(假定數(shù)據地址已在假定數(shù)據地址已在MAR中中)。l設設CPU內部結構如圖下所示，此外還設有內部結構如圖下所示，此外還設有B、C、D、E、H、L6個寄存器（圖中未畫出），個寄存器（圖中未畫出），它們各自的輸入和輸出端都與內部總線相通，它們各自的輸入和輸出端都與內部總線相通，并分別受控制信號控制（如并分

4、別受控制信號控制（如Bin為寄存器為寄存器B的輸?shù)妮斎肟刂?；入控制；Bout為寄存器為寄存器B的輸出控制），假設的輸出控制），假設ALU的結果直接送入的結果直接送入Z寄存器中。要求從取指寄存器中。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的控制信號。令開始，寫出完成下列指令所需的控制信號。lADDB，C（B）+（C）BlMOV AC，#datadata AC，data在在指令第二字指令第二字CUIRPCMARMDRACYALUZ控制信號控制信號CPU 內內 部部 總總 線線時鐘時鐘控制信號控制信號MDROutMDRinIRinPCinPCOutMARinACinACOutYinALUinZOutA

5、 M D+1 MAR ，IRMAR，+Y ZB MAR ,IR MAR ,l某單總線計算機的主要部件如圖所示，其中：某單總線計算機的主要部件如圖所示，其中：LAA輸入選擇器，輸入選擇器，LBB輸入選擇器，輸入選擇器，C、D暫存器。暫存器。l（1）請補充各部件間的主要連接線，并注明）請補充各部件間的主要連接線，并注明數(shù)據流動方向。數(shù)據流動方向。l（2）擬出指令）擬出指令ADD（R1），（），（R2）+的執(zhí)行的執(zhí)行流程（含取指過程與確定后繼指令地址）。該流程（含取指過程與確定后繼指令地址）。該指令的含義是進行加法操作，指令的含義是進行加法操作，源操作數(shù)地址和源操作數(shù)地址和目的操作數(shù)地址目的操作數(shù)地

6、址分別在寄存器分別在寄存器R1和和R2中，目中，目的操作數(shù)尋址方式為自增型寄存器間接尋址。的操作數(shù)尋址方式為自增型寄存器間接尋址。l功能功能： (R1)+(R2) (R2), (R2)+1R2 MAR ,IRlR1 MAR, LAlR2 MAR, LBlLA+LB MDRlMDR lR2 LALA+1 R2l設設CPU中各部件及其相互連接關系如圖中各部件及其相互連接關系如圖2-5-6所所示。圖中示。圖中W是寫控制標志，是寫控制標志，R是讀控制標志，是讀控制標志，R1和和R2是暫存器。是暫存器。l（1）假設要求在取指周期由）假設要求在取指周期由ALU完成（完成（PC）+1PC的操作（即的操作（即

7、ALU可以對它的一個源操可以對它的一個源操作數(shù)完成加作數(shù)完成加1的運算）。要求以最少的節(jié)拍寫的運算）。要求以最少的節(jié)拍寫出取指周期全部微操作控制信號及節(jié)拍安排。出取指周期全部微操作控制信號及節(jié)拍安排。l（2）寫出指令）寫出指令ADD # a（#為立即尋址特征，為立即尋址特征，隱含的操作數(shù)在隱含的操作數(shù)在ACC中）在執(zhí)行階段所需的微中）在執(zhí)行階段所需的微操作控制信號及節(jié)拍安排。操作控制信號及節(jié)拍安排。l（1）取指周期：）取指周期：MAR , 1R，R2IRlR2 PCl（2）執(zhí)行指令）執(zhí)行指令ADD # a（假設（假設a在指令在指令中的地址碼字段）中的地址碼字段）R1 lACC內部內部bus，R

8、1+ACCR2ACCl一一CPU數(shù)據通路為雙總線結構，如下圖所示。數(shù)據通路為雙總線結構，如下圖所示。圖中連線有誤。圖中連線有誤。l回答下列問題：回答下列問題：l（1）畫出修正錯誤后的連線圖，不能改變原）畫出修正錯誤后的連線圖，不能改變原有的雙總線結構。有的雙總線結構。l（2）如要實現(xiàn)直接尋址方式，如何修改？）如要實現(xiàn)直接尋址方式，如何修改？（假設指令為雙字，第二字是直接地址；或者（假設指令為雙字，第二字是直接地址；或者假設指令為單字）假設指令為單字）l（3）描述）描述ADD addr，R1指令從取指令開始的指令從取指令開始的實現(xiàn)過程。指令的功能為實現(xiàn)過程。指令的功能為l（R1）+（addr）a

9、ddrl(2)直接尋址：指令為單字，則不需要更改（存直接尋址：指令為單字，則不需要更改（存在在IR到到MAR的通路）；的通路）；l若為雙字指令，在取出指令第二字后，要送入若為雙字指令，在取出指令第二字后，要送入MAR，所以必須存在，所以必須存在MDR到到MAR之間的數(shù)據之間的數(shù)據通路。方法：通過設置一個連通器連接雙總線。通路。方法：通過設置一個連通器連接雙總線。l(3)ADD addr，R1l單字指令：單字指令：addr在地址碼字段在地址碼字段lPCMAR，M（MAR）MDR，MDR IR，PC+1lIR（addr）MAR，M（MAR）MDRlMDRRAlR1 bus，（，（R1）+（RA）

10、MDRMDR M（MAR）l(3)ADD addr，R1l雙字指令：雙字指令：addr在指令第二字在指令第二字lPCMAR，M（MAR）MDR，MDR IR，PC+1lPCMAR，M（MAR）MDR， PC+1lMDR MARlM（MAR）MDRlMDRRAlR1 bus，（，（R1）+（RA） MDRMDR M（MAR）l某計算機的某計算機的CPU內部為雙總線結構，如圖所示，內部為雙總線結構，如圖所示，圖中圖中Y為暫存器，為暫存器，PC為程序計數(shù)器，為程序計數(shù)器，MAR和和MDR分別為存儲器地址和數(shù)據寄存器，分別為存儲器地址和數(shù)據寄存器，IR為為指令寄存器。所有數(shù)據傳送都通過指令寄存器。所有

11、數(shù)據傳送都通過ALU，ALU還具有下列功能。還具有下列功能。lF=A；F=BF=A+1；F=B+1lF=A-1； F=B-1l寫出轉子指令（寫出轉子指令（JSR）的取指和執(zhí)行周期的微）的取指和執(zhí)行周期的微操作序列。操作序列。JSR指令占兩個字，第指令占兩個字，第1個字是操作個字是操作碼，第碼，第2個字為子程序的入口地址。返回地址個字為子程序的入口地址。返回地址保存在存儲器堆棧（上推堆棧）中，堆棧指針保存在存儲器堆棧（上推堆棧）中，堆棧指針始終指向棧頂空單元。始終指向棧頂空單元。l堆棧：堆棧：由若干個連續(xù)主存單由若干個連續(xù)主存單元組成的先進后出（元組成的先進后出（first in last ou

12、t，即，即FILO）存儲區(qū)。）存儲區(qū)。l棧底：棧底：第第1個放入堆棧的數(shù)個放入堆棧的數(shù)據所存放的單元，據所存放的單元，棧底是固棧底是固定不變的。定不變的。l棧頂：棧頂：最近放入的數(shù)據所存最近放入的數(shù)據所存放的單元；放的單元；棧頂是隨著數(shù)據的入棧和棧頂是隨著數(shù)據的入棧和出棧在時刻變化；出棧在時刻變化；棧頂?shù)牡刂酚蓷ｍ數(shù)牡刂酚啥褩Ｖ羔樁褩Ｖ羔楽P指明。指明。存儲器存儲器堆棧段堆棧段棧底棧底SP棧頂棧頂l一般計算機中，堆棧從高地址向低地一般計算機中，堆棧從高地址向低地址擴展，即棧底的地址總是大于或等址擴展，即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂?，稱為于棧頂?shù)牡刂?，稱為上推堆棧上推堆棧；也有；也有少數(shù)計

13、算機相反，稱為少數(shù)計算機相反，稱為下推堆棧下推堆棧。l堆棧指針的管理：堆棧指針的管理：SP總是指向最后壓入的有效數(shù)據總是指向最后壓入的有效數(shù)據SP總是指向棧頂?shù)目諉卧偸侵赶驐ｍ數(shù)目諉卧猯只對棧頂操作；只對棧頂操作；l兩種操作：兩種操作：壓入：壓入：PUSH指令；指令；數(shù)據存入堆棧數(shù)據存入堆棧彈出：彈出：POP指令；指令；從堆棧取出數(shù)據從堆棧取出數(shù)據l假設一堆棧：假設一堆棧：結構？結構？數(shù)據字長為數(shù)據字長為1B；存儲器存儲器堆棧段堆棧段棧底棧底SP棧頂棧頂00000000H:0FFFFFFFFH:l彈出指令彈出指令POP Ri：從堆棧從堆棧中彈出中彈出1個數(shù)據送個數(shù)據送Ri寄存器寄存器:(SP

14、) Ri ,(SP)1SPl思考：思考：指令的兩個操作，順序互換？指令的兩個操作，順序互換？堆棧結構改變后，如何實現(xiàn)？堆棧結構改變后，如何實現(xiàn)？l壓入指令壓入指令 PUSH Ri：將將Ri寄存器內容壓入堆棧寄存器內容壓入堆棧:(SP)1SP，(Ri) (SP)存儲器存儲器堆棧段堆棧段棧底棧底SP棧頂棧頂00000000H:0FFFFFFFFH:l取指令：取指令：lPCB，F(xiàn)=B，F(xiàn)MAR，read，M(MAR)MDRlPCB，F(xiàn)=B+1，F(xiàn)PClMDRB，F(xiàn)=B，F(xiàn)IRl執(zhí)行指令：執(zhí)行指令：lPCB，F(xiàn)=B，F(xiàn)MAR，read，M(MAR)MDRlPCB，F(xiàn)=B+1，F(xiàn)PClMDRB，F(xiàn)=B，

15、FYlSPB，F(xiàn)=B，F(xiàn)MARlPCB，F(xiàn)=B，F(xiàn)MDR，write， MDRM(MAR)lSPB，F(xiàn)=B-1，F(xiàn)SPYA，F(xiàn)=A，F(xiàn)PCl某機采用微程序控制方式，微指令字長某機采用微程序控制方式，微指令字長24位，采用水平型編碼控制的微指令格位，采用水平型編碼控制的微指令格式，斷定方式。共有微命令式，斷定方式。共有微命令30個，構成個，構成4個互斥類，各包含個互斥類，各包含5個、個、8個、個、14個和個和3個個微命令，外部條件共微命令，外部條件共3個。個。l（1）設計出微指令的具體格式。）設計出微指令的具體格式。l（2）控制存儲器的容量應為多少？）控制存儲器的容量應為多少？l（1）微指令的具體格式：）微指令的具體格式：3位、位、