第五部分中央處理器-例題

1、時(shí)鐘時(shí)鐘功能功能有效控制信號(hào)有效控制信號(hào)C1MAR（PC）PCout ,MARinC2MDRM（MAR）PC （PC）+1MemR, MDRinPC+1C3IR （MDR）MDRout , IRinC4指令譯碼指令譯碼無無時(shí)鐘時(shí)鐘功能功能有效控制信號(hào)有效控制信號(hào)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(gè)簡(jiǎn)化的下圖是一個(gè)簡(jiǎn)化的CPU與主存連接結(jié)構(gòu)示意圖與主存連接結(jié)構(gòu)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(gè)累。其中有一個(gè)累加寄存器加寄存器AC、一個(gè)狀態(tài)寄存器和其他四個(gè)寄、一個(gè)狀態(tài)寄存器和其他四個(gè)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(jù)寄主存數(shù)據(jù)寄存器存器MDR、程序計(jì)數(shù)器、程序計(jì)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(jù)通路，箭頭表各部件及其之間的連線表示數(shù)據(jù)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(qǐng)寫出圖中請(qǐng)寫出圖中a、b、c、d四個(gè)寄存器的名稱。四個(gè)寄存器的名稱。l(2)簡(jiǎn)述圖中指令從主存取到控制器的過程。簡(jiǎn)述圖中指令從主存取到控制器的過程。l(3)說明數(shù)據(jù)從主存取出、運(yùn)算、寫回主存所經(jīng)說明數(shù)據(jù)從主存取出、運(yùn)算、寫回主存所經(jīng)過的數(shù)據(jù)通路過的數(shù)據(jù)通路(假定數(shù)據(jù)地址已在假定數(shù)據(jù)地址已在MAR中中)。l設(shè)設(shè)CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖下所示，此外還設(shè)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖下所示，此外還設(shè)有B、C、D、E、H、L6個(gè)寄存器（圖中未畫出），個(gè)寄存器（圖中未畫出），它們各自的輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，它們各自的輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，并分別受控制信號(hào)控制（如并分

4、別受控制信號(hào)控制（如Bin為寄存器為寄存器B的輸?shù)妮斎肟刂疲蝗肟刂?；Bout為寄存器為寄存器B的輸出控制），假設(shè)的輸出控制），假設(shè)ALU的結(jié)果直接送入的結(jié)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(hào)。令開始，寫出完成下列指令所需的控制信號(hào)。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(hào)控制信號(hào)CPU 內(nèi)內(nèi) 部部 總總 線線時(shí)鐘時(shí)鐘控制信號(hào)控制信號(hào)MDROutMDRinIRinPCinPCOutMARinACinACOutYinALUinZOutA

5、 M D+1 MAR ，IRMAR，+Y ZB MAR ,IR MAR ,l某單總線計(jì)算機(jī)的主要部件如圖所示，其中：某單總線計(jì)算機(jī)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(qǐng)補(bǔ)充各部件間的主要連接線，并注明）請(qǐng)補(bǔ)充各部件間的主要連接線，并注明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。l（2）擬出指令）擬出指令A(yù)DD（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(jìn)行加法操作，指令的含義是進(jìn)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(shè)設(shè)CPU中各部件及其相互連接關(guān)系如圖中各部件及其相互連接關(guān)系如圖2-5-6所所示。圖中示。圖中W是寫控制標(biāo)志，是寫控制標(biāo)志，R是讀控制標(biāo)志，是讀控制標(biāo)志，R1和和R2是暫存器。是暫存器。l（1）假設(shè)要求在取指周期由）假設(shè)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(duì)它的一個(gè)源操可以對(duì)它的一個(gè)源操作數(shù)完成加作數(shù)完成加1的運(yùn)算）。要求以最少的節(jié)拍寫的運(yùn)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(hào)及節(jié)拍安排。出取指周期全部微操作控制信號(hào)及節(jié)拍安排。l（2）寫出指令）寫出指令A(yù)DD # 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(hào)及節(jié)拍安排。操作控制信號(hào)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A(yù)DD # a（假設(shè)（假設(shè)a在指令在指令中的地址碼字段）中的地址碼字段）R1 lACC內(nèi)部?jī)?nèi)部bus，R

8、1+ACCR2ACCl一一CPU數(shù)據(jù)通路為雙總線結(jié)構(gòu)，如下圖所示。數(shù)據(jù)通路為雙總線結(jié)構(gòu)，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(cuò)誤后的連線圖，不能改變?cè)┊嫵鲂拚e(cuò)誤后的連線圖，不能改變?cè)械碾p總線結(jié)構(gòu)。有的雙總線結(jié)構(gòu)。l（2）如要實(shí)現(xiàn)直接尋址方式，如何修改？）如要實(shí)現(xiàn)直接尋址方式，如何修改？（假設(shè)指令為雙字，第二字是直接地址；或者（假設(shè)指令為雙字，第二字是直接地址；或者假設(shè)指令為單字）假設(shè)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(shí)現(xiàn)過程。指令的功能為實(shí)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(jù)之間的數(shù)據(jù)通路。方法：通過設(shè)置一個(gè)連通器連接雙總線。通路。方法：通過設(shè)置一個(gè)連通器連接雙總線。l(3)ADD addr，R1l單字指令：?jiǎn)巫种噶睿篴ddr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(jì)算機(jī)的某計(jì)算機(jī)的CPU內(nèi)部為雙總線結(jié)構(gòu)，如圖所示，內(nèi)部為雙總線結(jié)構(gòu)，如圖所示，圖中圖中Y為暫存器，為暫存器，PC為程序計(jì)數(shù)器，為程序計(jì)數(shù)器，MAR和和MDR分別為存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)寄存器，分別為存儲(chǔ)器地址和數(shù)據(jù)寄存器，IR為為指令寄存器。所有數(shù)據(jù)傳送都通過指令寄存器。所有

11、數(shù)據(jù)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(zhuǎn)子指令（寫出轉(zhuǎn)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(gè)字，第指令占兩個(gè)字，第1個(gè)字是操作個(gè)字是操作碼，第碼，第2個(gè)字為子程序的入口地址。返回地址個(gè)字為子程序的入口地址。返回地址保存在存儲(chǔ)器堆棧（上推堆棧）中，堆棧指針保存在存儲(chǔ)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(gè)連續(xù)主存單由若干個(gè)連續(xù)主存單元組成的先進(jìn)后出（元組成的先進(jìn)后出（first in last ou

12、t，即，即FILO）存儲(chǔ)區(qū)。）存儲(chǔ)區(qū)。l棧底：棧底：第第1個(gè)放入堆棧的數(shù)個(gè)放入堆棧的數(shù)據(jù)所存放的單元，據(jù)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(jù)所存最近放入的數(shù)據(jù)所存放的單元；放的單元；棧頂是隨著數(shù)據(jù)的入棧和棧頂是隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧在時(shí)刻變化；出棧在時(shí)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(chǔ)器存儲(chǔ)器堆棧段堆棧段棧底棧底SP棧頂棧頂l一般計(jì)算機(jī)中，堆棧從高地址向低地一般計(jì)算機(jī)中，堆棧從高地址向低地址擴(kuò)展，即棧底的地址總是大于或等址擴(kuò)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(jì)

13、算機(jī)相反，稱為少數(shù)計(jì)算機(jī)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(jù)總是指向最后壓入的有效數(shù)據(jù)SP總是指向棧頂?shù)目諉卧偸侵赶驐ｍ數(shù)目諉卧猯只對(duì)棧頂操作；只對(duì)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(jù)存入堆棧數(shù)據(jù)存入堆棧彈出：彈出：POP指令；指令；從堆棧取出數(shù)據(jù)從堆棧取出數(shù)據(jù)l假設(shè)一堆棧：假設(shè)一堆棧：結(jié)構(gòu)？結(jié)構(gòu)？數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為1B；存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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(gè)數(shù)據(jù)送個(gè)數(shù)據(jù)送Ri寄存器寄存器:(SP

14、) Ri ,(SP)1SPl思考：思考：指令的兩個(gè)操作，順序互換？指令的兩個(gè)操作，順序互換？堆棧結(jié)構(gòu)改變后，如何實(shí)現(xiàn)？堆棧結(jié)構(gòu)改變后，如何實(shí)現(xiàn)？l壓入指令壓入指令 PUSH Ri：將將Ri寄存器內(nèi)容壓入堆棧寄存器內(nèi)容壓入堆棧:(SP)1SP，(Ri) (SP)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)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(jī)采用微程序控制方式，微指令字長(zhǎng)某機(jī)采用微程序控制方式，微指令字長(zhǎng)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(gè)，構(gòu)成個(gè)，構(gòu)成4個(gè)互斥類，各包含個(gè)互斥類，各包含5個(gè)、個(gè)、8個(gè)、個(gè)、14個(gè)和個(gè)和3個(gè)個(gè)微命令，外部條件共微命令，外部條件共3個(gè)。個(gè)。l（1）設(shè)計(jì)出微指令的具體格式。）設(shè)計(jì)出微指令的具體格式。l（2）控制存儲(chǔ)器的容量應(yīng)為多少？）控制存儲(chǔ)器的容量應(yīng)為多少？l（1）微指令的具體格式：）微指令的具體格式：3位、位、