計(jì)算機(jī)組成原理第五章答案

1、.第5章習(xí)題參考答案1請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)內(nèi)填入適當(dāng)答案。在cpu中：(1)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（ ir ）；(2)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址的寄存器是（ ar ）(3)算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在（ dr ）和（ 通用寄存器 ）。2參見(jiàn)圖5.15的數(shù)據(jù)通路。畫(huà)出存數(shù)指令“sto rl，(r2)”的指令周期流程圖，其含義是將寄存器rl的內(nèi)容傳送至(r2)為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作信號(hào)序列。解：sto r1, (r2)的指令流程圖及微操作信號(hào)序列如下：精品.3參見(jiàn)圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫(huà)出取數(shù)指令“l(fā)ad (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)容取至寄存器r2中

2、，標(biāo)出各微操作控制信號(hào)序列。解：lad r3, (r0)的指令流程圖及為操作信號(hào)序列如下：精品.4假設(shè)主脈沖源頻率為10mhz，要求產(chǎn)生5個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖，試畫(huà)出時(shí)序產(chǎn)生器的邏輯圖。解：精品.5如果在一個(gè)cpu周期中要產(chǎn)生3個(gè)節(jié)拍脈沖；tl200ns，t2=400ns，t3=200ns，試畫(huà)出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖。解：取節(jié)拍脈沖tl、t2、t3的寬度為時(shí)鐘周期或者是時(shí)鐘周期的倍數(shù)即可。所以取時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘周期為200ns，即，其頻率為5mhz.；由于要輸出3個(gè)節(jié)拍脈沖信號(hào)，而t3的寬度為2個(gè)時(shí)鐘周期，也就是一個(gè)節(jié)拍電位的時(shí)間是4個(gè)時(shí)鐘周期，所以除了c4外，還需要3個(gè)觸發(fā)器cl、c2、c3；并令

3、；，由此可畫(huà)出邏輯電路圖如下：精品.6假設(shè)某機(jī)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。已知微指令長(zhǎng)度為32位，請(qǐng)估算控制存儲(chǔ)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m s3 s2 s1 c來(lái)控制執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)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(jìn)制變量，為0或l任選。 試以指令碼(a，b，h，d，e，f，g)為輸入變量，寫(xiě)出控制參數(shù)m，s3，s精品.2，sl，c

4、的邏輯表達(dá)式。指令碼ms3s2s1ca, bh, defg0000101010111111001101y yf解：由表可列如下邏輯方程m=gs3=h+d+fs2=a+b+d+h+e+f+gs1=a+b+f+gc=h+d+ey+fy8某機(jī)有8條微指令i1i8，每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。aj分別對(duì)應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為8位，請(qǐng)安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghiji1精品.i2i3i4i5i6i7i8解：因?yàn)橛?0種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)，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(zhǎng)度，

5、必須設(shè)法把一個(gè)微指令周期中的互斥性微命令組合在一個(gè)小組中，進(jìn)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(shí)出現(xiàn)的互斥信號(hào)，所以可將其通過(guò)2:4譯碼后輸出三個(gè)微命令信號(hào)(00表示該組所有的微命令均無(wú)效)，而其余四個(gè)微命令信號(hào)用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。e f hb i j a c d gx xx x或：e f hd i j 精品.a b c gx xx x或：f h ib g j a c d ex xx x9微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下： a8 = p1ir6t4 a7 = p1ir5t4 a6

6、 = p2ct4其中a8a6為微地址寄存器相應(yīng)位，p1和p2為判別標(biāo)志，c為進(jìn)位標(biāo)志，ir5和ir6為指令寄存器的相應(yīng)位，t4為時(shí)鐘周期信號(hào)。說(shuō)明上述邏輯表達(dá)式的含義，畫(huà)出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解：a5=p3ir5t4a4=p3ir4t4a3=p1ir3t4a2=p1ir2t4a1=p1ir1t4a0=p1ir0t4+p2ct4精品.用觸發(fā)器強(qiáng)置端(低有效)修改，前5個(gè)表達(dá)式用“與非”門(mén)實(shí)現(xiàn)，最后1個(gè)用“與或非”門(mén)實(shí)現(xiàn)a2、a1、a0觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下： （其他略）10某計(jì)算機(jī)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r0r

7、3，暫存器c和d。 (1)請(qǐng)將各邏輯部件組成一個(gè)數(shù)據(jù)通路，并標(biāo)明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。(2)畫(huà)出“add r1，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(duì)alu的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行附加操作，則數(shù)據(jù)通路可設(shè)計(jì)如下：精品.(2) 根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫(huà)出“add r1，r2”(設(shè)r1為目的寄存器)的指令周期流程圖如下：11已知某機(jī)采用微程序控制方式，控存容量為512*48位。微程序可在整個(gè)控存中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個(gè)，微指令采用水平型格式，后繼微指令地址采用斷定方式。請(qǐng)問(wèn)； (1)微指令的三個(gè)字段分別

8、應(yīng)為多少位? (2)畫(huà)出對(duì)應(yīng)這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。解：(1) 因?yàn)槿萘繛?12*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(gè)，所以判別測(cè)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)精品.(2)微程序控制器邏輯框圖參見(jiàn)教材p.147圖5.23控制存儲(chǔ)器地址譯碼微地址寄存器opp字段 控制字段地址轉(zhuǎn)移邏輯狀態(tài)條件指令寄存器ir微命令信號(hào) 微命令寄存器12今有4級(jí)流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操作。今假設(shè)完成各步 操作的時(shí)間依次為100ns，100ns，80ns，50ns。請(qǐng)問(wèn)； (1)流水線的操

9、作周期應(yīng)設(shè)計(jì)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(shí)間進(jìn)行? (3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)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(kāi)始，也就是說(shuō)，第2條指令要推遲兩個(gè)操作周期，即200ns才能進(jìn)行。精品.(3) 如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，采用定向傳送的技術(shù)，則只要第1條指令完成“運(yùn)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

10、取指(if)、譯碼(id)、執(zhí)行(ex)、訪存(mem)、寫(xiě)回寄存器堆(wb)五個(gè)過(guò)程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。 (1)畫(huà)出流水處理的時(shí)空?qǐng)D，假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns。 (2)求流水線的實(shí)際吞吐率(單位時(shí)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?qǐng)D如下，其中每個(gè)流水操作周期為100ns：空間si1i2i15i16i17i18i19i20wbi1i2i15i16i17i18i19i20memi1i2i3i16i17i18i19i20exi1i2i3i4i17i18i19i20idi1i2i3i4i5i18i19i20ifi1i2i3i4i5i6i19i2

11、0123456192021222324時(shí)間t(2) 流水線的實(shí)際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+119=24個(gè)流水周期，共2400ns，所以實(shí)際吞吐率為：(3) 流水線的加速比為 ： 設(shè)流水線操作周期為， 則n指令串行經(jīng)過(guò)k個(gè)過(guò)程段的時(shí)間為n*k* ；精品. 而n條指令經(jīng)過(guò)可并行的k段流水線時(shí)所需的時(shí)間為(k+n-1)*； 故20條指令經(jīng)過(guò)5個(gè)過(guò)程段的加速比為： 14用時(shí)空?qǐng)D法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。解：設(shè)流水計(jì)算機(jī)的指令流水線分為4個(gè)過(guò)程段：if、id、ex、wb，則流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D如下：空間si1i2i3i4i5wbi1i2i3i4i5exi1i2i3i4i5i6id

12、i1i2i3i4i5i6i7ifi1i2i3i4i5i6i7i812345678時(shí)間t非流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D：空間si1i2wbi1i2exi1i2idi1i2ifi1i212345678時(shí)間t由圖中可以看出，同樣的8個(gè)操作周期內(nèi)，流水計(jì)算機(jī)執(zhí)行完了5條指令，而非流水計(jì)算機(jī)只執(zhí)行完了2條指令；由此，可看出流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。精品.15用定量描述法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。證明：設(shè)流水計(jì)算機(jī)具有k級(jí)流水線，每個(gè)操作周期的時(shí)間為t，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：；吞吐率為：而非流水計(jì)算機(jī)，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：；吞吐率為：當(dāng)n=1時(shí)，；當(dāng)n1時(shí)，即：流水計(jì)算機(jī)具有更

13、高的吞吐率。16判斷以下三組指令中各存在哪種類(lèi)型的數(shù)據(jù)相關(guān)? (1) i1 lad r1，a ； m(a)r1，m(a)是存儲(chǔ)器單元 i2 add r2，rl ； (r2)+(r1)r2 (2) i1 add r3，r4 ； (r3)+(r4)r3 i2 mul r4，r5 ； (r4)(r5)r4 (3) i1 lad r6，b ； m(b)r6，m(b)是存儲(chǔ)器單元i2 mul r6，r7 ； (r6) (r7)r6解：(1) i1的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該先寫(xiě)入r1，然后再在i2中讀取r1的內(nèi)容作為操作數(shù)，所以是發(fā)生raw (精品.“寫(xiě)后讀”)相關(guān)(2) war(3) raw和waw兩種相關(guān)17參考

14、圖5.39所示的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有如下6條指令序列： i1 lad r1，b ； m(b)r1，m(b)是存儲(chǔ)器單元 i2 sub r2，rl ； (r2)-(r1)r2 i3 mul r3，r4 ； (r3)*(r4)r3 i4 add r4，r5 ； (r4)+(r5)r4 i5 lad r6，a ； m(a)r6，m(a)是存儲(chǔ)器單元 i6 add r6，r7 ； (r6)+(r7)r6 請(qǐng)畫(huà)出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖。 (2)按序發(fā)射按序完成的流水線時(shí)空?qǐng)D。解：(1) 按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖如下(仍設(shè)f、d段要求成對(duì)輸入；f、d、w段只需1個(gè)周期；加需要2個(gè)周期；乘需要3個(gè)周期；存/取數(shù)需要1個(gè)周期；執(zhí)行