計算機組成原理第五章答案

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：

⑴保存當前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（IR）；

⑵保存當前正在執(zhí)行的指令地址的寄存器是（AR）

⑶算術(shù)邏輯運算結(jié)果通常放在（DR）和（通用寄存器）。

2.參見圖的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令"STORI,（R2）”的指令周期流程圖，

其含義是將寄存器R1的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的主存單元中。標出各微操作信

號序列。

解：

STORI,（R2）的指令流程圖及微操作信號序列如下:

STOR1JR2)

3.參見圖的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令“LAD(R3),RO”的指令周期流程圖，其

含義是將(R3)為地址主存單元的內(nèi)容取至寄存器R2中，標出各微操作控制信號

序列。

解：

LADR3,(R0)的指令流程圖及為操作信號序列如下：

LAD(R3),RO

(PC)-ARPCO,G,ARi

(M)->DRR/W=R

▼

(DR)-IRDRo,G,IRj

丁

(R3)一ARR30,G,AR,

▼

(M)—DRR/W=R

▼

(DR)->R()DR。,G,Roi

4.假設(shè)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THT2、TS的寬度為時鐘周期或者是時鐘周期的倍數(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)器一一G、C2、C3；并令

7；=C.*c7；7；=C2*^;4=G仁，由此可畫出邏輯電路圖如下：

6.假設(shè)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。己知微指令長度為32位，請估算控制存儲器容量。

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：24132位

7.某ALU器件是用模式控制碼MS3S2SiC來控制執(zhí)行不同的算術(shù)運算和邏輯

操作。下表列出各條指令所要求的模式控制碼，其中y為二進制變量，6為0

或1任選。

試以指令碼(A,B,H,D,E,F,G)為輸入變量，寫出控制參數(shù)M,S3,S2,

Si,C的邏輯表達式。

指令碼MS3S2Sic

A,B01

Un1Un

H,D10

UA11i

E00

0(1y

01

F11y

11

G01

解:

由表可列如下邏輯方程

(

M=G

S3=H+D+F

S2=A+B+D+H+E+F+G

Si=A+B+F+G

C=H+D+Ey+Fy

8.某機有8條微指令L—k,每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。

a—j分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為

8位，請安排微指令的控制字段格式。

微指令bcdefghij

a

)1

II

12

*

h

(

14

15

16

]

b

18

解：因為有10種不同性質(zhì)的微命令信號，如果采用直接表示法則需要10位控制

字段，現(xiàn)控制字段僅限于8位，那么，為了壓縮控制字段的長度，必須設(shè)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

的格式安排控制字段。

efhbij

acdgXX&

XX

或：

efhdij

口

abcgXX

XX

成.

fhibgj

acdeXX

XX

9.微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達式如下：

UA8=F1IR614

UA7=P1JR5T4

UA6=P2CT4

其中11A8—UA6為微地址寄存器相應(yīng)位，Pl和P2為判別標志，C為進位標志，

IR5和IR6為指令寄存器的相應(yīng)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：

<

UA5=P3IR5T4

UA4=P3IR4T4

UA3=P1IR3T4

UA2=P「IR2T4

口A1=P|IR1T4

UAo=Pi-IRO,T4+P2-C-T4

用觸發(fā)器強置端（低有效）修改，前5個表達式用“與非”門實現(xiàn)，最后1個用“與或

非''門實現(xiàn)

UA2、uAl、UAo觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：（其他略）

10.某計算機有如下部件，ALU,移位器，主存M,主存數(shù)據(jù)寄存器MDR,主

存地址寄存器MAR,指令寄存器IR,通用寄存器RuRJ,暫存器C和D。

(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(shè)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，則數(shù)據(jù)通

路可設(shè)計如下：

⑵根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫出“ADDRI,R2"(設(shè)R1為目的寄存器)的指令

周期流程圖如下：

ADDRI,R2

(PC)TMAR

(M)TMDR

(MDR)TIR

PC+1

(Rl)-C

(R2)-D

(C)+(D)T移位器

(移位器)—RI

11.已知某機采用微程序控制方式，控存容量為512*48位。微程序可在整個控

存中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(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(yīng)為多少位

(2)畫出對應(yīng)這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。

解：

(1)因為容量為512*48位，所以下址字段需用9位，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件有4

個，所以判別測試字段需4位或(3位譯碼)，因此操作控制字段的位數(shù)48-9-4=35

位(或48-9-3=36位)

⑵微程序控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)、運算、送結(jié)果四步操

作。今假設(shè)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(yīng)設(shè)計為多少

(2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，那么第2條指

令要推遲多少時間進行

(3)如果在硬件設(shè)計上加以改進，至少需推遲多少時間

答：

(1)流水操作周期為max(100,100,80,50)=100ns

(2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，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(shè)計上加以改進，采用定向傳送的技術(shù)，則只要第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)、寫回寄存器堆

(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(shè)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_115ll7Il8Ho

(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

2400乂10一9=8.333百萬條指令/秒

(3)流水線的加速比為：

設(shè)流水線操作周期為T,

則n指令串行經(jīng)過k個過程段的時間為n*k*T；

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)*T；

故20條指令經(jīng)過5個過程段的加速比為：

20X5xT一r

7-----；——?4.17

(5+19"

14.用時空圖法證明流水計算機比非流水計算機具有更高的存吐率。

解：

設(shè)流水計算機的指令流水線分為4個過程段：IF、ID、EX、WB,則流水計算機

的時空圖如下：

空間1113?

tthtt，4t

非流水計算機的時空圖:

空間

12

時間T

由圖中可以看出，同樣的8個操作周期內(nèi)，流水計算機執(zhí)行完了5條指令，而非

流水計算機只執(zhí)行完了2條指令；由此，可看出流水計算機比非流水計算機具

有更高的吞吐率。

15.用定量描述法證明流水計算機比非流水計算機具有更高的吞吐率。

證明：

設(shè)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：T=(k.+n-\)xr；

吞吐率為：//1=T------r—

(k+n-\)xT

)

而非流水計算機，執(zhí)行n條指令的時間為：T=nxkxr；

吞吐率為：H=——

2nxkxr

H.nxkxrnxk

B—.................................................—____________________

H2(k+k+n-\

當n=l時，”|="2；

當n>l時，H,>H2,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(guān)

(1)11LADRI,A；M(A)-RI,M(A)是存儲器單元

I2ADDR2,RI；(R2)+(Rl)-*R2

(2)IiADDR3,R4；(R3)+(R4)->R3

hMULR4,R5；(R4)(R5)-*R4

(3)IiLADR6,B；M(B)-R6,M(B)是存儲器單元

bMULR6,R7；(R6)(R7)fR6

解：

(1)L的運算結(jié)果應(yīng)該先寫入Ri,然后再在b中讀取RI的內(nèi)容作為操作數(shù)，所以

是發(fā)生RAW(“寫后讀”)相關(guān)

⑵WAR

(3)RAW和WAW兩種相關(guān)

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:

IiLADRI,B；M(B)-*R1,M(B)是存儲器單元

hSUBR2,RI；(R2)-(Rl)fR2

13MULR3,R4；(R3)*(R4)fR3

I4ADDR4,R5；(R4)+(R5)fR4

IsLADR6,A；M(A)-R6,M(A)是存儲器單元

16ADDR6,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(shè)F、D段要求成對輸入；F、D、

W段只需1個周期；加需要2個周期；乘需要3個周期；存/取數(shù)需要1個周

期；執(zhí)行部件內(nèi)部有定向傳送，結(jié)果生成即可使用)：

取指段匚

LJh12

Ljt立M12

LZZJM1314

fadHJ151