計(jì)算機(jī)組成原理第5章習(xí)題參考答案

1、第5章習(xí)題參考答案第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 ）。2參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(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)的指令流程圖及為操作信號(hào)序列如下：3參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令“LAD (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

2、存器R2中，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：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，試畫出時(shí)序產(chǎn)生器的邏輯圖。解：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、，由此可畫出邏輯電路圖如下：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：241´32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(xiàn)，G)為輸入變量，寫出控制參數(shù)M，S3，S2

4、，Sl，C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I(lǐng)1I8，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abcdefghijI1ÖÖÖÖÖI2ÖÖÖÖI3ÖÖI4Ö

5、;I5ÖÖÖÖI6ÖÖÖI7ÖÖÖI8ÖÖÖ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，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

6、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 ­ ­­ ­ ­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 = P1·IR6·T4 A7 = P1·IR5·T4 A6 = P2·

7、;C·T4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)。說明上述邏輯表達(dá)式的含義，畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解： A8 = P1·IR6·T4 表示微地址的第8位在P1有效時(shí)，用IR6設(shè)置 A7 = P1·IR5·T4 表示微地址的第7位在P1有效時(shí)，用IR5設(shè)置 A6 = P2·C·T4 表示微地址的第6位在P2有效時(shí)，用進(jìn)位標(biāo)志C設(shè)置，地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下： 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

8、，指令寄存器IR，通用寄存器R0R3，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：(2) 根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫出“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；

9、 (1)微指令的三個(gè)字段分別應(yīng)為多少位? (2)畫出對(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)(2)微程序控制器邏輯框圖參見教材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)

10、問； (1)流水線的操作周期應(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)”步驟才能開始，也就是說，第2條指令要推遲兩個(gè)操作周期，即200ns才能進(jìn)行。(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。

11、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(gè)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(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SI1I2I15I16I17I18I19I20WBI1I2¼I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3¼I16I17I18I19I20EXI1I2I3I4¼I17I18I19I20IDI1I2I3I4I5&#

12、188;I18I19I20IFI1I2I3I4I5I6¼I19I20123456¼192021222324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+1´19=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k個(gè)過程段的時(shí)間為n*k* ； 而n條指令經(jīng)過可并行的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5個(gè)過程段的加速比為： 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)過程段：IF、ID、EX、WB，則流水計(jì)算機(jī)的

13、時(shí)空?qǐng)D如下：空間SI1I2I3I4I5WBI1I2I3I4I5EXI1I2I3I4I5I6IDI1I2I3I4I5I6I7IFI1I2I3I4I5I6I7I812345678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。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

14、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)n>1時(shí)，即：流水計(jì)算機(jī)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) 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)該先寫入R1，然后再在I2中

15、讀取R1的內(nèi)容作為操作數(shù)，所以是發(fā)生RAW (“寫后讀”)相關(guān)(2) WAR(3) RAW和WAW兩種相關(guān)17參考圖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