計(jì)算機(jī)組成原理課后答案第二版市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

1、控制單元設(shè)計(jì)第 十 章第1頁(yè) 1. 假設(shè)響應(yīng)中止時(shí)，要求將程序斷點(diǎn)存在堆棧內(nèi)，而且采取軟件方法尋找中止服務(wù)程序入口地址，試寫(xiě)出中止隱指令微操作及節(jié)拍安排。 解：設(shè)軟件查詢程序首址為0號(hào)內(nèi)存單元，則中止隱指令微操作命令及節(jié)拍安排以下：T0 0EINT，SPMART1 PCMDR，0 -W，SP+1SPT2 MDRM（MAR）T3 SPMAR T4 PSWMDR，0 -W，SP+1SPT5 0PC，MDRM（MAR） 因?yàn)轭}意中沒(méi)有給出確切數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，故上述節(jié)拍分配方案并行性較低。第2頁(yè) 2. 寫(xiě)出完成以下指令微操作及節(jié)拍安排（包含取指操作）。 （1）指令A(yù)DD R1，X完成將R1存放器內(nèi)容和主

2、存X單元內(nèi)容相加，結(jié)果存于R1操作。 （2）指令I(lǐng)SZ X完成將主存X單元內(nèi)容增1，并依據(jù)其結(jié)果若為0，則跳過(guò)下一條指令執(zhí)行。 解：該題題意中沒(méi)有指定數(shù)據(jù)通路，所以排序前應(yīng)先設(shè)定一下。在此設(shè)采取單總線結(jié)構(gòu)CPU數(shù)據(jù)通路，且ALU輸入端設(shè)兩個(gè)暫存器C、D（見(jiàn)17題圖）。并設(shè)采取同時(shí)控制，每七天期3節(jié)拍：第3頁(yè) （1）指令A(yù)DD R1，X微操作及節(jié)拍安排以下： 取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 R1C，M(MAR)MDR T2 MDRD 執(zhí)行周期2： T0 T1 T2 +，A

3、LUR1第4頁(yè) （2）指令I(lǐng)SZ X微操作及節(jié)拍安排（取指周期同（1），略）： 執(zhí)行周期1： T0 X(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRC 執(zhí)行周期2： T0 +1，ALUMDR T1 0 -W T2 MDRM(MAR) (PC+1)Z （設(shè)Z為結(jié)果為0標(biāo)志） 該指令操作在一個(gè)執(zhí)行周期做不完，所以安排了兩個(gè)執(zhí)行周期。第5頁(yè) 3. 按序?qū)懗鲆韵鲁绦蛩枞课⒉僮髅罴肮?jié)拍安排。指令地址指令300301302303304LDA 306ADD 307BAN 304STA 305 STP第6頁(yè) 解：因?yàn)轭}意未明確要求采取何種控制器結(jié)構(gòu)，故仍按較簡(jiǎn)單組合邏輯時(shí)序關(guān)系安排節(jié)拍（單

4、總線、同時(shí)控制，假設(shè)同上題）： LDA 306 指令： 取指周期： T0 PCMAR，1R T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)行周期： T0 306(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR T2 MDRAC第7頁(yè) ADD 307 指令：取指周期：同上。 執(zhí)行周期1： T0 307(IR)MAR，1R T1 M(MAR)MDR，ACC T2 MDRD 執(zhí)行周期2： T0 T1 T2 +，ALUAC BAN 304 指令：取指周期：同上。 執(zhí)行周期： （設(shè)N為結(jié)果為負(fù)標(biāo)志） T0 T1 T2 N304(IR)PC第8頁(yè) STA 305 指令： 取指周期

5、：同上。 執(zhí)行周期： T0 305(IR)MAR T1 ACMDR，0 -W T2 MDRM(MAR) STP 指令： 取指周期：同上。 執(zhí)行周期： T0 T1 T2 0G （G為停機(jī)標(biāo)志。）第9頁(yè) 6. 已知帶返轉(zhuǎn)指令含義以下列圖所表示，寫(xiě)出機(jī)器在完成帶返轉(zhuǎn)指令時(shí)，取指階段和執(zhí)行階段所需全部微操作及節(jié)拍安排。 主程序 子程序M 帶返轉(zhuǎn)KM+1JMP I KKK+1間址特征第10頁(yè) 解：假設(shè)同上題，仍按組合邏輯、單總線、同時(shí)控制安排，帶返轉(zhuǎn)指令全部微操作及節(jié)拍以下： 取指周期： T0 PCMAR，1R （注：MMAR） T1 PC+1，M(MAR)MDR T2 MDRIR，OP(IR)ID 執(zhí)

6、行周期： T0 K(IR)MAR T1 PCMDR，0 -w （注：M+1MDR） T2 MDRM(MAR) K+1PC第11頁(yè) 12. 能否說(shuō)水平型微指令就是直接編碼微指令，為何？ 解：不能說(shuō)水平型微指令就是直接編碼微指令，因?yàn)榉纤叫臀⒅噶钐卣魑⒅噶疃紝儆谒叫臀⒅噶?，常?jiàn)有：直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼，及混合編碼等。直接編碼微指令只是最經(jīng)典一個(gè)。第12頁(yè) 15. 設(shè)控制存放器容量為51248位，微程序可在整個(gè)控存空間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，而控制微程序轉(zhuǎn)移條件共有4個(gè)（采取直接控制），微指令格式以下：操作控制轉(zhuǎn)移條件下地址操作控制次序控制 試問(wèn)微指令中三個(gè)字段分別為多少位？ 解：微指令各字

7、段位數(shù)分配以下： 35 4 9操作控制轉(zhuǎn) 移 條 件下地址操作控制次序控制 該微指令格式為水平型微指令。第13頁(yè) 19. 假設(shè)機(jī)器主要部件有：程序計(jì)數(shù)器PC，指令存放器IR，通用存放器R0、R1、R2、R3，暫存器C、D，ALU，移位器，存放器地址存放器MAR，存放器數(shù)據(jù)存放器MDR及存放矩陣M。 （1）要求采取單總線結(jié)構(gòu)畫(huà)出包含上述部件硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 （2）畫(huà)出ADD（R1），（R2）指令在取指階段和執(zhí)行階段信息流程圖。 R1存放器存放源操作數(shù)地址，R2存放器存放目標(biāo)操作數(shù)地址。 （3）寫(xiě)出對(duì)應(yīng)該流程圖所需全部微操作命令。第14頁(yè) 解： （1）采取單總線結(jié)構(gòu)CPU硬件框圖以下

8、：R/-WPCMARMDRR3D移位器IRMALU單總線（BUS）R2R1R0C+ +1圖中，數(shù)據(jù)流動(dòng)方向如箭頭所表示。LDR第15頁(yè)（2）ADD（R1），（R2） （3）對(duì)應(yīng)該流程圖所 指令流程圖以下： 需全部微操作命令。 OP=？PCMARMM讀PC+1 PCMDR IRADDPCo，MARi1 R+1（可與前一步并行）MDRo，IRi第16頁(yè)R1o，MARi1 R MDRo，CiR2o，MARi1 RMDRo，Di ADD R1MARMDRCMM讀R2MARMM讀MDRD B第17頁(yè)+，D，MDRi0 -W公操作（C）+（D）MDRMM寫(xiě)B(tài) 第18頁(yè) 20. 假設(shè)機(jī)器主要部件同上題，外加

9、一個(gè)控制門(mén)G。 （1）要求采取雙總線結(jié)構(gòu)（每組總線數(shù)據(jù)流動(dòng)方向是單向），畫(huà)出包含上述部件硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。 （2）畫(huà)出SUB R1，R3完成（R1）-（R3）R1操作指令周期信息流程圖（假設(shè)指令地址已放在PC中），并列出對(duì)應(yīng)微操作控制信號(hào)序列。第19頁(yè) 解： （1）雙總線結(jié)構(gòu)CPU硬件框圖以下： 圖中，數(shù)據(jù)流動(dòng)方向如箭頭所表示。R/-WPCMARMDRR3移位器IRMALUA總線R0C+ +1GB總線R1R2LDRD第20頁(yè) （2） SUB R1，R3指令周期流程圖以下：OP=？PCMARMM讀PC+1 PCMDR IRSUBPCo，G，MARi1 R+1（可與前一步并行）MDRo

10、，G，IRi第21頁(yè)R1o，G，CiR3o，G，Di-，D，G，R1i SUB R1C（C）-（D）R1R3D第22頁(yè) 21. 下表給出8條微指令I(lǐng)1I8及所包含微命令控制信號(hào)，設(shè)計(jì)微指令操作控制字段格式，要求所使用控制位最少，而且保持微指令本身內(nèi)在并行性。微指令所含微命令I(lǐng)1I2I3I4I5I6I7I8a b c d ea d f gb hcc e g ia h jc d ha b h第23頁(yè) 解：為使設(shè)計(jì)出微指令操作控制字段最短，而且保持微指令本身內(nèi)在并行性，應(yīng)采取混合編碼法。首先找出互斥微命令組，為便于分析，將微命令表重畫(huà)以下：微指令所含微命令abcdef ghijI1I2I3I4I5

11、I6 I7 I8第24頁(yè) 由表中微命令分布情況可看出：a、b、c、d、e微命令并行性太高，所以不能放在同一字段中。另外，由分析可知，在2、3、4分組互斥組中，3個(gè)一組微命令互斥組對(duì)控制位壓縮作用最顯著。所以，應(yīng)盡可能多找出3個(gè)一組互斥組?，F(xiàn)找出互斥組有：cfj，dij，efh，fhi，bgj，ehj，efj等等。 從中找出互不相重互斥組有兩個(gè)：dij，efh。則：微指令操作控制字段格式安排以下： 1 1 1 1 2 2abcgdijefh順 序 控 制 字 段操作控制字段第25頁(yè) 各字段編碼分配以下：a 0 無(wú)操作； b 0 無(wú)操作； 1 a微命令； 1 b微命令c 0 無(wú)操作； g 0 無(wú)操

12、作； 1 c微命令； 1 g微命令dij 00 無(wú)操作；efh 00 無(wú)操作； 01 d微命令； 01 e 10 i微命令； 10 f 11 j微命令； 11 h 注：每組都應(yīng)為“無(wú)操作”留一個(gè)編碼。 與采取直接控制法比較： 直接控制法：10個(gè)微命令需10位操作控制位； 本方案：10個(gè)微命令需8位操作控制位，壓縮了2位。第26頁(yè) 22. 設(shè)有一運(yùn)算器通路以下列圖所表示（見(jiàn)教材423頁(yè)），假設(shè)操作數(shù)a和b（均為補(bǔ)碼）分別放在通用存放器R2和R3中，ALU有+、-、M（傳送）三種操作功效，移位器可實(shí)現(xiàn)左移、右移和直送功效。 指出相容性微操作和相斥性微操作。 采取字段直接編碼方式設(shè)計(jì)適合于此運(yùn)算器微

13、指令格式。 畫(huà)出計(jì)算2(a+b)R3微程序流程圖，試問(wèn)執(zhí)行周期需用幾條微指令？ 按設(shè)計(jì)微指令格式，寫(xiě)出滿足要求微代碼。第27頁(yè)第28頁(yè)解： 相斥性微操作有： 移位器傳送類(lèi)3個(gè)：R、L、V； ALU操作類(lèi)3個(gè)：+、-、M； A選通門(mén)控制類(lèi)4個(gè)：MDRA、R1A、R2A、R3A； B選通門(mén)控制類(lèi)7個(gè)：PCB、R1B、-R1B、R2B、-R2B、R3B、-R3B； 注：因?yàn)锳LUA、B兩端有可能同時(shí)需要存放器輸出，且同一存放器輸出可能作源操作數(shù)使用，而輸入又可能接收運(yùn)算結(jié)果，所以存放器輸入輸出操作組成不完全互斥關(guān)系，分組情況可視設(shè)計(jì)需要而定。 相容性微操作有：ALU任一操作與+1操作相容； 存放器輸

14、入類(lèi)操作相相互容； 移位器、ALU、A、B選通門(mén)、存放器五大部件操作在部件之間相相互容。第29頁(yè) 采取字段直接編譯法設(shè)計(jì)微指令格式時(shí)，可按中找出互斥類(lèi)分組，并考慮和全部微操作相容微命令需單獨(dú)設(shè)組，則微指令操作控制字段格式以下：19 0A B C D E F G H I J K3 3 2 2 1 3 2 1 1 1 1各字段編碼分配以下：A組（A選通門(mén)控制）： 000無(wú)操作； 100MDRA； 110R2A； 101R1A； 111R3A； B組（B選通門(mén)控制）： 000無(wú)操作； 100R2B； 001PCB； 101-R2B ； 010R1B； 110R3B ； 011-R1B； 111-R3

15、B；第30頁(yè)C組（ALU操作）： 00無(wú)操作； 10 +； 01 M； 11 -；D組（移位器傳送）：00無(wú)操作；10 R； 01 V； 11 L；E組（+1）： 0無(wú)操作； 1 +1；F組（存放器輸出B）：000無(wú)操作；100R2out； 001PCout； 101-R2out ； 010R1out； 110R3out 011-R1out；111-R3out G組（存放器輸出A）：00無(wú)操作；10R2out； 01R1out； 11R3out；H組（R1輸入）： 0無(wú)操作； 1R1in；I組（R2輸入）： 0無(wú)操作； 1R2in；J組（R3輸入）：0無(wú)操作； 1R3in；K組（PC輸入）：0無(wú)操作； 1PCin；第31頁(yè) 因?yàn)轭}意只給出運(yùn)算器通路，故取指周期微程序段省略。則計(jì)算2(a+b)R3指令執(zhí)行周期微程序流程圖以下： 采取上述微指令格式時(shí)，實(shí)現(xiàn)此微程序流程只需一條微指令既可。第32頁(yè) 按所設(shè)計(jì)微指令格式，此微程序流程所用微指令對(duì)應(yīng)微代碼以下：110 11010 11 0110 10 0 0 1 0 討論：本題給出運(yùn)算器通路很靠近實(shí)機(jī)，所以通路中微命令間相容相斥關(guān)系就比較復(fù)雜。較難判斷是存放器輸入輸出類(lèi)微命令之間互斥關(guān)系，本題中這類(lèi)關(guān)系并沒(méi)有限死，這就給我們微指令格式設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定靈活性。盡管如此，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)仍需堅(jiān)持。本設(shè)計(jì)方案所遵