计算机组成原理习题答案第七章.doc

资源描述

计算机组成原理课后答案第七章１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心——— 微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器，如程序计数器PC 、指令寄存器IR 、存储器地址寄存器MAR 、存储器数据寄存器MDR 、状态标志寄存器PSWR 等。６．某机CPU 芯片的主振频率为８MHz ，其时钟周期是多少μs ？若已知每个机器周期平均包含４个时钟周期，该机的平均指令执行速度为０．８MIPS ，试问：（１）平均指令周期是多少μs ？（２）平均每个指令周期含有多少个机器周期？（３）若改用时钟周期为０．４μs 的CPU 芯片，则计算机的平均指令执行速度又是多少MIPS ？（４）若要得到４０万次／s 的指令执行速度，则应采用主振频率为多少MHz 的CPU芯片？解：时钟周期＝１ ÷ ８MHz ＝０．１２５μs （１）平均指令周期＝１ ÷ ０．８MIPS ＝１．２５μs （２）机器周期＝０．１２５μs × ４＝０．５μs 平均每个指令周期的机器周期数＝１．２５μs ÷ ０．５μs ÷ ４＝２．５（３）平均指令执行速度＝１０．４ × ４ × ２．５＝０．２５MIPS （４）主振频率＝４MHz ７．以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周期中的作用。（１）程序计数器PC ；（２）指令寄存器IR ；（３）算术逻辑运算部件ALU ；（４）存储器数据寄存器MDR ；（５）存储器地址寄存器MAR 。解：（１）程序计数器PC ：存放指令地址；（２）指令寄存器IR ：存放当前指令；（３）算术逻辑运算部件ALU ：进行算逻运算；（４）存储器数据寄存器MDR ：存放写入或读出的数据／指令；（５）存储器地址寄存器MAR ：存放写入或读出的数据／指令的地址。以单地址指令“加１（INC A）”为例，该指令分为３个周期：取指周期、分析取数周期、执行周期。３个周期完成的操作如表６唱２所示。 PC （PC） → MAR — — IR 指令→ MDR → IR — — ALU （PC）＋１ — （A）＋１ MAR 指令地址→ MAR A → MAR — MDR 指令→ MDR （A） → MDR （A）＋１ → MDR ８．什么是指令周期？什么是CPU 周期？它们之间有什么关系？解：指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。CPU 周期（机器周期）是完成一个基本操作的时间。一个指令周期划分为若干个CPU 周期。９．指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？解：指令和数据都存放在主存，它们都以二进制代码形式出现，区分的方法为：（１）取指令或数据时所处的机器周期不同：取指周期取出的是指令；分析取数或执行周期取出的是数据。（２）取指令或数据时地址的来源不同：指令地址来源于程序计数器；数据地址来源于地址形成部件。１０．CPU 中指令寄存器是否可以不要？指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器MDR 中的信息译码？为什么？请以无条件转移指令JMP A 为例说明。解：指令寄存器不可以不要。指令译码器不能直接对MDR 中的信息译码，因为在取指周期MDR 的内容是指令，而在取数周期MDR 的内容是操作数。以JMP A 指令为例，假设指令占两个字，第一个字为操作码，第二个字为转移地址，它们从主存中取出时都需要经过MDR ，其中只有第一个字需要送至指令寄存器，并且进行指令的译码，而第二个字不需要送指令寄存器。１１．设一地址指令格式如下：＠ OP A 　　现在有４条一地址指令：LOAD（取数）、ISZ（加“１”为零跳）、DSZ（减“１”为零跳）、STORE（存数），在一台单总线单累加器结构的机器上运行，试排出这４条指令的微操作序列。要求：当排ISZ 和DSZ 指令时不要破坏累加寄存器Acc 原来的内容。解：（１） LOAD（取数）指令 PC → MAR ，READ 　　　　　　；取指令 MM → MDR MDR → IR ，PC ＋１ → PC A → MAR ，READ ；取数据送Acc MM → MDR MDR → Acc （２） ISZ（加“１”为零跳）指令取指令微操作略。 A → MAR ，READ ；取数据送Acc MM → MDR MDR → Acc Acc＋１ → Acc ；加１ If Z ＝１ then PC ＋１ → PC ；结果为０，PC ＋１ Acc → MDR ，WRITE ；保存结果 MDR → MM Acc －１ → Acc ；恢复Acc （３） DSZ（减“１”为零跳）指令取指令微操作略。 A → MAR ，READ ；取数据送Acc MM → MDR MDR → Acc Acc －１ → Acc ；减１ If Z ＝１ then PC ＋１ → PC ；结果为０，PC ＋１ Acc → MDR ，WRITE ；保存结果 MDR → MM Acc＋１ → Acc ；恢复Acc （４） STORE（存数）指令：取指令微操作略。 A → MAR ；Acc 中的数据写入主存单元 Acc → MDR ，WRITE MDR → MM １２．某计算机的CPU 内部结构如图６唱２２所示。两组总线之间的所有数据传送通过ALU 。ALU 还具有完成以下功能的能力：F ＝ A ；　　　F ＝ BF ＝ A ＋１； F ＝ B ＋１F ＝ A －１； F ＝ B －１写出转子指令（JSR）的取指和执行周期的微操作序列。JSR 指令占两个字，第一个字是操作码，第二个字是子程序的入口地址。返回地址保存在存储器堆栈中，堆栈指示器始终指向栈顶。解： ① PC → B ，F ＝ B ，F → MAR ，Read 　　　　；取指令的第一个字 ② PC → B ，F ＝ B ＋１，F → PC ③ MDR → B ，F ＝ B ，F → IR ④ PC → B ，F ＝ B ，F → MAR ，Read ；取指令的第二个字 ⑤ PC → B ，F ＝ B ＋１，F → PC ⑥ MDR → B ，F ＝ B ，F → Y ⑦ SP → B ，F ＝ B －１，F → SP ，F → MAR ；修改栈指针，返回地址压入堆栈 ⑧ PC → B ，F ＝ B ，F → MDR ，Write ⑨ Y → A ，F ＝ A ，F → PC ；子程序的首地址→ PC ⑩ End １３．某机主要部件如图６唱２３所示。（１）请补充各部件间的主要连接线，并注明数据流动方向。（２）拟出指令ADD （R１），（R２）＋的执行流程（含取指过程与确定后继指令地址）。该指令的含义是进行加法操作，源操作数地址和目的操作数地址分别在寄存器R１和R２中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。解：（１）将各部件间的主要连接线补充完后如图６唱２４所示。（２）指令ADD （R１），（R２）＋的含义为（（R１））＋（（R２）） → （R２）（R２）＋１ → R２指令的执行流程如下： ① （PC） → MAR 　　　　　；取指令 ② Read ③ M（MAR） → MDR → IR ④ （PC）＋１ → PC ⑤ （R１） → MAR ；取被加数 ⑥ Read ⑦ M（MAR） → MDR → C ⑧ （R２） → MAR ；取加数 ⑨ Read ⑩ M（MAR） → MDR → D （R２）＋１ → R２；修改目的地址（C）＋（D） → MDR ；求和并保存结果 Write MDR → MM １４．CPU 结构如图６唱２５所示，其中有一个累加寄存器AC 、一个状态条件寄存器和其他４个寄存器，各部件之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。（１）标明４个寄存器的名称。（２）简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。（３）简述数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。解：（１）这４个寄存器中，a 为存储器数据寄存器MDR ，b 为指令寄存器IR ，c 为存储器地址寄存器MAR ，d 为程序计数器PC 。（２）取指令的数据通路： PC → MAR → MM → MDR → IR （３）数据从主存中取出的数据通路（设数据地址为X）： X → MAR → MM → MDR → ALU → AC 数据存入主存中的数据通路（设数据地址为Y）： Y → MAR ，AC → MDR → MM １５．什么是微命令和微操作？什么是微指令？微程序和机器指令有何关系？微程序和程序之间有何关系？解：微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。微操作是指计算机中最基本的、不可再分解的操作。微命令和微操作是一一对应的，微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微指令是若干个微命令的集合。微程序是机器指令的实时解释器，每一条机器指令都对应一个微程序。微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微指令组成的，用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，微程序是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的，一般不提供给用户；程序是由机器指令组成的，由程序员事先编制好并存放在中央处理器主存储器中。１６．什么是垂直型微指令？什么是水平型微指令？它们各有什么特点？又有什么区别？解：垂直型微指令是指一次只能执行一个微命令的微指令；水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。垂直型微指令的并行操作能力差，一般只能实现一个微操作，控制１～２个信息传送通路，效率低，执行一条机器指令所需的微指令数目多，执行时间长；但是微指令与机器指令很相似，所以容易掌握和利用，编程比较简单，不必过多地了解数据通路的细节，且微指令字较短。水平型微指令的并行操作能力强，效率高，灵活性强，执行一条机器指令所需微指令的数目少，执行时间短；但微指令字较长，增加了控存的横向容量，同时微指令和机器指令的差别很大，设计者只有熟悉了数据通路，才有可能编制出理想的微程序，一般用户不易掌握。１７．水平型和垂直型微程序设计之间各有什么区别？串行微程序设计和并行微程序设计有什么区别？解：水平型微程序设计是面对微处理器内部逻辑控制的描述，所以把这种微程序设计方法称为硬方法；垂直型微程序设计是面向算法的描述，所以把这种微程序设计方法称为软方法。在串行微程序设计中，取微指令和执行微指令是顺序进行的，在一条微指令取出并执行之后，才能取下一条微指令；在并行微程序设计中，将取微指令和执行微指令的操作重叠起来，从而缩短微周期。１８．图６唱２６给出了某微程序控制计算机的部分微指令序列。图中每一框代表一条微指令。分支点a 由指令寄存器IR 的第５、６两位决定。分支点b 由条件码C０决定。现采用下址字段实现该序列的顺序控制。已知微指令地址寄存器字长８位。（１）设计实现该微指令序列的微指令字之顺序控制字段格式。（２）给出每条微指令的二进制编码地址。（３）画出微程序控制器的简化框图。解：（１）该微程序流程有两处有分支的地方，第一处有４路分支，由指令操作码IR５ IR６指向４条不同的微指令，第二处有２路分支，根据运算结果C０的值决定后继微地址。加上顺序控制，转移控制字段取２位。图６唱２６中共有１５条微指令，则下址字段至少需要４位，但因已知微指令地址寄存器字长８位（μMAR７～ μMAR０），故下址字段取８位。微指令的顺序控制字段格式如图６唱２７所示。（２）转移控制字段２位：００　顺序控制０１　由IR５ IR６控制修改μMAR４，μMAR３。１０　由C０控制修改μMAR５。微程序流程的微地址安排如图６唱２８所示。每条微指令的二进制编码地址见表６唱３。注：每条微指令前的微地址用十六进制表示。微　指　令微地址操作控制字段顺序控制字段二进制微命令测试判别下地址００００００００ A ０００００００００１０００００００１ B ０１００００００１０００００００１０ C １０００００００１１００００００１１ J ０００００００１０００００００１００ L ００００００１０１１００００１０１０ D ００００００１０１１００００１０１１ O ０００００００００００００１００１０ E ０００００１００１１０００１００１１ G ０００００１０１０００００１０１００ K ０００００１０１０１０００１０１０１ M ０００００１０１１００００１０１１０ N ００００００１０１１０００１１０１０ F ０００００１１０１１０００１１０１１ H ０００００１０１０１００１０００１１ I ００００００１０１１　　（３）微程序控制器的简化框图略。１９．已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量５１２ × ４８位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制转移的条件共４个，微指令采用水平型格式，后继指令地址采用断定方式，微指令格式如图６唱２９所示。（１）微指令中的３个字段分别应为多少位？（２）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解：（１）因为控制转移的条件共４个，则判别测试字段为２位；因为控存容量为５１２个单元，所以下地址字段为９位；微命令字段是（４８－２－９）＝３７位。（２）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图６唱３０。２０．某机有８条微指令I１～ I８，每条微指令所含的微命令控制信号如表６唱４所列。微指令微命令信号 a b c d e f g h i j I１ √ √ √ √ √ I２ √ √ √ √ I３ √ √ I４ √ I５ √ √ √ √ I６ √ √ √ I７ √ √ √ I８ √ √ √ 　　a ～ j 分别代表１０种不同性质的微命令信号，假设一条微指令的操作控制字段为８位，请安排微指令的操作控制字段格式，并将全部微指令代码化。解：因为微指令的操作控制字段只有８位，所以不能采用直接控制法。又因为微指令中有多个微命令是兼容性的微命令，如微指令I１中的微命令a ～ e ，故也不能采用最短编码法。最终选用字段编码法和直接控制法相结合的方法。将互斥的微命令安排在同一段内，兼容的微命令安排在不同的段内。b 、i 、j 这３个微命令是互斥的微命令，把它们安排在一个段内，e 、f 、h 这３个微命令也是互斥的，把它们也安排在另一个段内。此微指令的操作控制字段格式如图６唱３１所示。其中：字段１的译码器输出对应的微命令为００　无０１　b １０　i １１　j 字段２的译码器输出对应的微命令为００　无０１　e １０　f １１　h 将全部８条微指令代码化可以得到 I１：　１１１００１０１ I２：　１０１１００１０ I３：　０００００１１１ I４：　０１００００００ I５：　０１０１１００１ I６：　１０００１１１１ I７：　０１１０００１１ I８：　１００００１１１２１．在微程序控制器中，微程序计数器μPC 可以用具有加“１”功能的微地址寄存器μMAR 来代替，试问程序计数器PC 是否可以用具有加“１”功能的存储器地址寄存器MAR 代替？解：在微程序控制器中不可以用MAR 来代替PC 。因为控存中只有微指令，为了降低成本，可以用具有计数功能的微地址寄存器（μMAR）来代替μPC 。而主存中既有指令又有数据，它们都以二进制代码形式出现，取指令和数据时地址的来源是不同的。取指令：（PC） → MAR 取数据：地址形成部件→ MAR 所以不能用MAR 代替PC 。__ 第 7 页共 7 页

展开阅读全文