計算機(jī)組成原理第九、十章答案

控制單元CU第九章3.什么是指令周期、機(jī)器周期和時鐘周期？三者有何關(guān)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(jī)器周期是在同步控制的機(jī)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(jī)器周期長度=主存周期；時鐘周期是指計算機(jī)主時鐘的周期時間，它是計算機(jī)運(yùn)行時最基本的時序單位，對應(yīng)完成一個微操作所需時間，通常時鐘周期=計算機(jī)主頻的倒數(shù)。

一個指令周期包含若干個機(jī)器周期

一個機(jī)器周期包含若干個時鐘周期4.能不能說機(jī)器的主頻越快，機(jī)器的速度就越快，為什么？

解：不能說機(jī)器的主頻越快，機(jī)器的速度就越快。因?yàn)闄C(jī)器的速度不僅與主頻有關(guān)，還與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、時序分配方案、ALU運(yùn)算能力、指令功能強(qiáng)弱等多種因素有關(guān)，要看綜合效果。5.設(shè)機(jī)器A的主頻為8MHz，機(jī)器周期含4個時鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期和機(jī)器周期，每個指令周期中含幾個機(jī)器周期？如果機(jī)器B的主頻為12MHz，且機(jī)器周期也含4個時鐘周期，試問B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS?

解：先通過A機(jī)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(jìn)一步求出機(jī)器周期。B機(jī)參數(shù)的算法與A機(jī)類似。

計算如下：A機(jī)平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5μs

A機(jī)時鐘周期=1/8MHz=125ns

A機(jī)機(jī)器周期=125ns×4=500ns=0.5μs

A機(jī)每個指令周期中含機(jī)器周期個數(shù)

=2.5μs÷0.5μs=5個

B機(jī)時鐘周期=1/12MHz83ns

B機(jī)機(jī)器周期=83ns×4=332ns

設(shè)B機(jī)每個指令周期也含5個機(jī)器周期，則：

B機(jī)平均指令周期=332ns×5=1.66μs

B機(jī)平均指令執(zhí)行速度=1/1.66μs

=0.6MIPS

結(jié)論：主頻的提高有利于機(jī)器執(zhí)行速度的提高。6.設(shè)某計算機(jī)的CPU主頻為8MHz，每個機(jī)器周期平均含2個時鐘周期，每條指令平均有2.5個機(jī)器周期，試問該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS？若機(jī)器主頻不變，但每個機(jī)器周期平均含4個時鐘周期，每條指令平均有5個機(jī)器周期，則該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度又是多少M(fèi)IPS？由此可得出什么結(jié)論？

解：先通過主頻求出時鐘周期，再求出機(jī)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：時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns

機(jī)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(dāng)參數(shù)改變后：

機(jī)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(jié)論：兩個主頻相同的機(jī)器，執(zhí)行速度不一定一樣。7.某CPU的主頻為8MHz，若已知每個機(jī)器周期平均包含4個時鐘周期，該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為0.8MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期及每個指令周期含幾個機(jī)器周期？若改用時鐘周期為0.4μs的CPU芯片，則計算機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS？若要得到平均每秒40萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用主頻為多少的CPU芯片？

解：先通過主頻求出時鐘周期時間，再進(jìn)一步求出機(jī)器周期和平均指令周期。

時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6

=125ns

機(jī)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(jī)器周期個數(shù)

=1.25μs/0.5μs=2.5個

當(dāng)芯片改變后，相應(yīng)參數(shù)變?yōu)椋?/p>

機(jī)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(yīng)采用的主頻為：

平均指令周期=1/0.4MIPS

=2.5×10-6=2.5μs

機(jī)器周期=2.5μs÷2.5=1μs

時鐘周期=1μs÷4=0.25μs

主頻=1/0.25μs=4MHz11.設(shè)CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.4所示，此外還設(shè)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(yīng)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(yīng)的微操作，再寫出同名的微命令即可。（1）ADDB，C指令流程及微命令序列如下：

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIR

ADDPCo，MARi1R+1（圖中未標(biāo)出，可與前一步并行）MDRo，IRiBo，Yi

Co，ALUi，+

Zo，Bi

ADD

BYZB（Y）+（C）Z

（2）SUBA，H指令流程及微命令序列如下：

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIR

SUBPCo，MARi1R+1（圖中未標(biāo)出，可與前一步并行）MDRo，IRiHo，Yi

ACo，ALUi，–

Zo，ACi

SUB

HYZAC（AC）–（H）Z

控制單元的設(shè)計第十章1.假設(shè)響應(yīng)中斷時，要求將程序斷點(diǎn)存在堆棧內(nèi)，并且采用軟件辦法尋找中斷服務(wù)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(shè)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(jié)構(gòu)，故上述節(jié)拍分配方案的并行性較低。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A(yù)DDR1，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(jié)果存于R1的操作。

（2）指令I(lǐng)SZX完成將主存X單元的內(nèi)容增1，并根據(jù)其結(jié)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(yīng)先設(shè)定一下。在此設(shè)采用單總線結(jié)構(gòu)的CPU數(shù)據(jù)通路，且ALU輸入端設(shè)兩個暫存器C、D（見17題圖）。并設(shè)采用同步控制，每周期3節(jié)拍：

（1）指令A(yù)DDR1，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

（2）指令I(lǐng)SZX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(shè)Z為結(jié)果為0標(biāo)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。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200201202203204LDA206ADD207BAN204STA205STP

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

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(shè)N為結(jié)果為負(fù)標(biāo)志）

T0

T1

T2

N·204(IR)PCSTA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(jī)標(biāo)志。）4.已知帶返轉(zhuǎn)指令的含義如下圖所示，寫出機(jī)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

解：假設(shè)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+1PC10.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?yàn)榉纤叫臀⒅噶钐卣鞯奈⒅噶疃紝儆谒叫臀⒅噶?，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。13.設(shè)控制存儲器的容量為512×48位，微程序可在整個控存空間實(shí)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。17.假設(shè)機(jī)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(jié)構(gòu)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(yīng)該流程圖所需的全部微操作命令。

解：（1）采用單總線結(jié)構(gòu)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。（2）ADD（R1），（R2）

（3）對應(yīng)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+1PCMDRIR

ADDPCo，MARi1R+1（可與前一步并行）MDRo，IRiR1o，MARi

1R

MDRo，Ci

R2o，MARi

1R

MDRo，Di

ADD

R1MARMDRC

MM讀R2MAR

MM讀

MDRD

B+，MDRi

0-W

公操作（C）+（D）MDR

MM寫B(tài)

18.假設(shè)機(jī)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(jié)構(gòu)（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(shè)指令地址已放在PC中），并列出相應(yīng)的微操作控制信號序列。

解：（1）雙總線結(jié)構(gòu)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

（2）SUBR1，R3指令周期流程圖如下：OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIR

SUBPCo，G，MARi1R+1（可與前一步并行）MDRo，G，IRi

R1o，G，Ci

R2o，G，Di

-，G，R1i

SUB

R1C

R2D

（C）-（D）R1

19.下表給出8條微指令I(lǐng)1~I8及所包含的微命令控制信號，設(shè)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I(lǐng)1I2I3I4I5I6I7I8abcdeadfgbhccegiahjcdhabh

解：為使設(shè)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(yīng)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

I2

I3

I4

I5