計算機組成原理第九、十章答案課件

控制單元CU第九章控制單元CU第九章3.什么是指令周期、機器周期和時鐘周期？三者有何關系？

解：CPU每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期；機器周期是在同步控制的機器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作（指令步）所需時間，通常安排機器周期長度=主存周期；時鐘周期是指計算機主時鐘的周期時間，它是計算機運行時最基本的時序單位，對應完成一個微操作所需時間，通常時鐘周期=計算機主頻的倒數(shù)。

一個指令周期包含若干個機器周期

一個機器周期包含若干個時鐘周期3.什么是指令周期、機器周期和時鐘周期？三4.能不能說機器的主頻越快，機器的速度就越快，為什么？

解：不能說機器的主頻越快，機器的速度就越快。因為機器的速度不僅與主頻有關，還與數(shù)據(jù)通路結構、時序分配方案、ALU運算能力、指令功能強弱等多種因素有關，要看綜合效果。4.能不能說機器的主頻越快，機器的速度就越5.設機器A的主頻為8MHz，機器周期含4個時鐘周期，且該機的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機的平均指令周期和機器周期，每個指令周期中含幾個機器周期？如果機器B的主頻為12MHz，且機器周期也含4個時鐘周期，試問B機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?

解：先通過A機的平均指令執(zhí)行速度求出其平均指令周期，再通過主頻求出時鐘周期，然后進一步求出機器周期。B機參數(shù)的算法與A機類似。

計算如下：5.設機器A的主頻為8MHz，機器周期含4A機平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs

A機時鐘周期=1/8MHz=125ns

A機機器周期=125ns×4=500ns=0.5μs

A機每個指令周期中含機器周期個數(shù)

=2.5μs÷0.5μs=5個

B機時鐘周期=1/12MHz83ns

B機機器周期=83ns×4=332ns

設B機每個指令周期也含5個機器周期，則：

B機平均指令周期=332ns×5=1.66μs

B機平均指令執(zhí)行速度=1/1.66μs

=0.6MIPS

結論：主頻的提高有利于機器執(zhí)行速度的提高。A機平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs

A機時鐘6.設某計算機的CPU主頻為8MHz，每個機器周期平均含2個時鐘周期，每條指令平均有2.5個機器周期，試問該機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若機器主頻不變，但每個機器周期平均含4個時鐘周期，每條指令平均有5個機器周期，則該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPS？由此可得出什么結論？

解：先通過主頻求出時鐘周期，再求出機器周期和平均指令周期，最后通過平均指令周期的倒數(shù)求出平均指令執(zhí)行速度。計算如下：6.設某計算機的CPU主頻為8MHz，每個時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns

機器周期=125ns×2=250ns

平均指令周期=250ns×2.5=625ns

平均指令執(zhí)行速度=1/625ns=1.6MIPS

當參數(shù)改變后：

機器周期=125ns×4=500ns=0.5μs

平均指令周期=0.5μs×5=2.5μs

平均指令執(zhí)行速度=1/2.5μs=0.4MIPS

結論：兩個主頻相同的機器，執(zhí)行速度不一定一樣。時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns

7.某CPU的主頻為8MHz，若已知每個機器周期平均包含4個時鐘周期，該機的平均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，試求該機的平均指令周期及每個指令周期含幾個機器周期？若改用時鐘周期為0.4μs的CPU芯片，則計算機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，則應采用主頻為多少的CPU芯片？7.某CPU的主頻為8MHz，若已知每個機

解：先通過主頻求出時鐘周期時間，再進一步求出機器周期和平均指令周期。

時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6

=125ns

機器周期=125ns×4=500ns=0.5μs

平均指令周期=1/0.8MIPS

=1.25×10-6=1.25μs

每個指令周期所含機器周期個數(shù)

=1.25μs/0.5μs=2.5個解：先通過主頻求出時鐘周期時間，再進一步求出

當芯片改變后，相應參數(shù)變?yōu)椋?/p>

機器周期=0.4μs×4=1.6μs

平均指令周期=1.6μs×2.5=4μs

平均指令執(zhí)行速度=1/4μs

=0.25MIPS

若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，則應采用的主頻為：

平均指令周期=1/0.4MIPS

=2.5×10-6=2.5μs

機器周期=2.5μs÷2.5=1μs

時鐘周期=1μs÷4=0.25μs

主頻=1/0.25μs=4MHz當芯片改變后，相應參數(shù)變?yōu)椋?/p>

11.設CPU內(nèi)部結構如圖9.4所示，此外還設有B、C、D、E、H、L六個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都與內(nèi)部總線相通，并分別受控制信號控制（如Bi為寄存器B的輸入控制；Bo為B的輸出控制）。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的控制信號。

（1）ADDB，C；((B)+(C)B)

（2）SUBA，H；((AC)-(H)AC)

解：先畫出相應指令的流程圖，然后將圖中每一步數(shù)據(jù)通路操作分解成相應的微操作，再寫出同名的微命令即可。11.設CPU內(nèi)部結構如圖9.4所示，此外（1）ADDB，C指令流程及微命令序列如下：

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIRADDPCo，MARi1R+1（圖中未標出，可與前一步并行）MDRo，IRi（1）ADDB，C指令流程及微命令序列如下：

Bo，Yi

Co，ALUi，+

Zo，Bi

ADDBYZB（Y）+（C）ZBo，Yi

Co，ALUi，+

Zo，Bi（2）SUBA，H指令流程及微命令序列如下：

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIRSUBPCo，MARi1R+1（圖中未標出，可與前一步并行）MDRo，IRi（2）SUBA，H指令流程及微命令序列如下：

Ho，Yi

ACo，ALUi，–

Zo，ACi

SUBHYZAC（AC）–（H）ZHo，Yi

ACo，ALUi，–

Zo，ACi控制單元的設計第十章控制單元的設計第十章1.假設響應中斷時，要求將程序斷點存在堆棧內(nèi)，并且采用軟件辦法尋找中斷服務程序的入口地址，試寫出中斷隱指令的微操作及節(jié)拍安排。

解：設軟件查詢程序首址為0號內(nèi)存單元，則中斷隱指令的微操作命令及節(jié)拍安排如下：

T00EINT，SPMAR

T1PCMDR，0-W，SP+1SP

T2SPMAR，MDRM（MAR）

T3PSWMDR，0-W，SP+1SP

T40PC，MDRM（MAR）

由于題意中沒有給出確切的數(shù)據(jù)通路結構，故上述節(jié)拍分配方案的并行性較低。1.假設響應中斷時，要求將程序斷點存在堆棧2.寫出完成下列指令的微操作及節(jié)拍安排（包括取指操作）。

（1）指令ADDR1，X完成將R1寄存器的內(nèi)容和主存X單元的內(nèi)容相加，結果存于R1的操作。

（2）指令ISZX完成將主存X單元的內(nèi)容增1，并根據(jù)其結果若為0，則跳過下一條指令執(zhí)行。

解：該題題意中沒有指定數(shù)據(jù)通路，因此排序前應先設定一下。在此設采用單總線結構的CPU數(shù)據(jù)通路，且ALU輸入端設兩個暫存器C、D（見17題圖）。并設采用同步控制，每周期3節(jié)拍：2.寫出完成下列指令的微操作及節(jié)拍安排（包

（1）指令ADDR1，X的微操作及節(jié)拍安排如下：

取指周期：

T0PCMAR，1R

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期1：

T0X(IR)MAR，1R

T1R1C，M(MAR)MDR

T2MDRD

執(zhí)行周期2：

T0

T1

T2+，ALUR1（1）指令ADDR1，X的微操作及節(jié)拍安

（2）指令ISZX的微操作及節(jié)拍安排（取指周期同（1），略）：

執(zhí)行周期1：

T0X(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR

T2MDRC

執(zhí)行周期2：

T0+1，ALUMDR

T1

0-W

T2MDRM(MAR)

(PC+1)·Z

（設Z為結果為0標志）

該指令的操作在一個執(zhí)行周期做不完，因此安排了兩個執(zhí)行周期。（2）指令ISZX的微操作及節(jié)拍安排（取3.按序?qū)懗鱿铝谐绦蛩璧娜课⒉僮髅罴肮?jié)拍安排。指令地址指令200201202203204LDA206ADD207BAN204STA205STP3.按序?qū)懗鱿铝谐绦蛩璧娜课⒉僮髅罴?/p>

解：由于題意未明確要求采用何種控制器結構，故仍按較簡單的組合邏輯時序關系安排節(jié)拍（單總線、同步控制，假設同上題）：

LDA指令：

取指周期：

T0PCMAR，1R

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期：

T0206(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR

T2MDRAC解：由于題意未明確要求采用何種控制器結構，故

ADD指令：取指周期：同上。

執(zhí)行周期1：

T0207(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR，ACC

T2MDRD

執(zhí)行周期2：

T0

T1

T2+，ALUAC

BAN指令：取指周期：同上。

執(zhí)行周期：（設N為結果為負標志）

T0

T1

T2

N·204(IR)PCADD指令：取指周期：同上。

STA指令：

取指周期：同上。

執(zhí)行周期：

T0205(IR)MAR

T1ACMDR，0-W

T2MDRM(MAR)

STP指令：

取指周期：同上。

執(zhí)行周期：

T0

T1

T20G

（G為停機標志。）STA指令：

取指周期：同上4.已知帶返轉(zhuǎn)指令的含義如下圖所示，寫出機器在完成帶返轉(zhuǎn)指令時，取指階段和執(zhí)行階段所需的全部微操作及節(jié)拍安排。

主程序子程序M

帶返轉(zhuǎn)KM+1JMPIKKK+1間址特征4.已知帶返轉(zhuǎn)指令的含義如下圖所示，寫出機

解：假設同上題，仍按組合邏輯、單總線、同步控制安排，帶返轉(zhuǎn)指令的全部微操作及節(jié)拍如下：

取指周期：

T0PCMAR，1R

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期：

T0K(IR)MAR

T1M+1MDR，0-w

T2MDRM(MAR)

K+1PC解：假設同上題，仍按組合邏輯、單總線、同步控10.能否說水平型微指令就是直接編碼的微指令，為什么？

解：不能說水平型微指令就是直接編碼的微指令，因為符合水平型微指令特征的微指令都屬于水平型微指令，常見的有：直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼，及混合編碼等。直接編碼的微指令只是最典型的一種。10.能否說水平型微指令就是直接編碼的微指13.設控制存儲器的容量為512×48位，微程序可在整個控存空間實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，而控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共有4個（采用直接控制），微指令格式如下：操作控制轉(zhuǎn)移條件下地址操作控制順序控制

試問微指令中的三個字段分別為多少位？解：微指令各字段位數(shù)分配如下：

3549操作控制轉(zhuǎn)移條件下地址操作控制順序控制

該微指令格式為水平型微指令。13.設控制存儲器的容量為512×48位，17.假設機器的主要部件有：程序計數(shù)器PC，指令寄存器IR，通用寄存器R0、R1、R2、R3，暫存器C、D，ALU，移位器，存儲器地址寄存器MAR，存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR及存儲矩陣M。

（1）要求采用單總線結構畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。

（2）畫出ADD（R1），（R2）指令在取指階段和執(zhí)行階段的信息流程圖。R1寄存器存放源操作數(shù)地址，R2寄存器存放目的操作數(shù)的地址。

（3）寫出對應該流程圖所需的全部微操作命令。17.假設機器的主要部件有：程序計數(shù)器PC

解：（1）采用單總線結構的CPU硬件框圖如下：R/-WPCMARMDRR3D移位器IRMALU單總線（BUS）R2R1R0C+–+1圖中，數(shù)據(jù)流動方向如箭頭所示。解：（1）采用單總線結構的CPU硬件框圖如（2）ADD（R1），（R2）

（3）對應該流程圖所

指令流程圖如下：需的全部微操作命令。

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIRADDPCo，MARi1R+1（可與前一步并行）MDRo，IRi（2）ADD（R1），（R2）（3）對應該流程圖所

R1o，MARi

1R

MDRo，Ci

R2o，MARi

1R

MDRo，Di

ADDR1MARMDRCMM讀R2MARMM讀MDRDBR1o，MARi

1R

MDRo，Ci

R2o，+，MDRi

0-W

公操作（C）+（D）MDRMM寫B(tài)+，MDRi

0-W

公操作（C）+（D）MDR18.假設機器的主要部件同17題，外加一個控制門G。

（1）要求采用雙總線結構（每組總線的數(shù)據(jù)流動方向是單向的），畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。

（2）畫出SUBR1，R3完成（R1）-（R3）R1操作的指令周期信息流程圖（假設指令地址已放在PC中），并列出相應的微操作控制信號序列。18.假設機器的主要部件同17題，外加一個

解：（1）雙總線結構的CPU硬件框圖如下：圖中，數(shù)據(jù)流動方向如箭頭所示。R/-WPCMARMDRR3D移位器IRMALUA總線R0C+–+1GB總線R1R2解：（1）雙總線結構的CPU硬件框圖如下：

（2）SUBR1，R3指令周期流程圖如下：OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIRSUBPCo，G，MARi1R+1（可與前一步并行）MDRo，G，IRi（2）SUBR1，R3指令周期流程圖如R1o，G，Ci

R2o，G，Di

-，G，R1i

SUBR1CR2D（C）-（D）R1R1o，G，Ci

R2o，G，Di

-，G，R1i19.下表給出8條微指令I1~I8及所包含的微命令控制信號，設計微指令操作控制字段格式，要求所使用的控制位最少，而且保持微指令本身內(nèi)在的并行性。微指令所含的微命令I1I2I3I4I5I6I7I8abcdeadfgbhccegiahjcdhabh19.下表給出8條微指令I1~I8及所包含

解：為使設計出的微指令操作控制字段最短，并且保持微指令本身內(nèi)在的并行性，應采用混合編碼法。首先找出互斥的微命令組，為便于分析，將微命令表重畫如下（表中的

表示該條微指令有這個微命令）：微指令所含的微命令abcdefghijI1