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完整word)计算机组成原理第五章答案

第5章习题参考答案
1．请在括号内填入适当答案。在CPU中:
(1)保存当前正在执行的指令的寄存器是( IR ）；
（2）保存当前正在执行的指令地址的寄存器是（ AR ）
（3）算术逻辑运算结果通常放在（ DR ）和（ 通用寄存器 ）。
2．参见图5。15的数据通路。画出存数指令“STO Rl，（R2)”的指令周期流程图，其含义是将寄存器Rl的内容传送至(R2)为地址的主存单元中.标出各微操作信号序列。

解：
STO R1， （R2）的指令流程图及微操作信号序列如下:

3．参见图5.15的数据通路，画出取数指令“LAD （R3)，R0”的指令周期流程图,其含义是将（R3)为地址主存单元的内容取至寄存器R2中，标出各微操作控制信号序列。

解：
LAD R3， （R0)的指令流程图及为操作信号序列如下：

4．假设主脉冲源频率为10MHz，要求产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图.

解：

5．如果在一个CPU周期中要产生3个节拍脉冲；Tl＝200ns，T2=400ns，T3=200ns，试画出时序产生器逻辑图。

解：取节拍脉冲Tl、T2、T3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns，即，其频率为5MHz.;由于要输出3个节拍脉冲信号,而T3的宽度为2个时钟周期,也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期，所以除了C4外，还需要3个触发器—-Cl、C2、C3;并令
；；,由此可画出逻辑电路图如下:

6．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的.已知微指令长度为32位,请估算控制存储器容量.

解：80条指令,平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条公用微指令,所以总微指令条数为80´ （4—1）+1=241条微指令，每条微指令32位，所以控存容量为：241´32位

7．某ALU器件是用模式控制码M S3 S2 S1 C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，φ为0或l任选。
试以指令码(A，B，H，D,E，F,G)为输入变量，写出控制参数M，S3，S2,Sl，C的逻辑表达式。
指令码
M
S3
S2
S1
C
A, B
H, D
E
F
G
0
0
0
0
1
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
1
0
1
y
y
f

解：
由表可列如下逻辑方程
M=G
S3=H+D+F
S2=A+B+D+H+E+F+G
S1=A+B+F+G
C=H+D+Ey+Fy

8．某机有8条微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。
a-j分别对应10种不同性质的微命令信号.假设一条微指令的控制字段仅限为8位，请安排微指令的控制字段格式。
微指令
a
b
c
d
e
f
g
h
i
j
I1
Ö
Ö
Ö
Ö
Ö

I2
Ö

Ö

Ö
Ö

I3

Ö

Ö

I4

Ö

I5

Ö

Ö

Ö

Ö

I6
Ö

Ö

Ö
I7

Ö
Ö

Ö

I8
Ö
Ö

Ö

解:因为有10种不同性质的微命令信号，如果采用直接表示法则需要10位控制字段，现控制字段仅限于8位，那么,为了压缩控制字段的长度，必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令组合在一个小组中，进行分组译码。
经分析，(e,f,h)和（b，i，j)、或(d,i，j）和(e,f,h)、或(g，b,j)和（i,f，h）均是不可能同时出现的互斥信号,所以可将其通过2：4译码后输出三个微命令信号（00表示该组所有的微命令均无效)，而其余四个微命令信号用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。

e f h
b i j

­ ­ ­
­ ­ ­
a c d g
X X
X X
或:

e f h
d i j

­ ­ ­
­ ­ ­
a b c g
X X
X X
或:

f h i
b g j

­ ­ ­
­ ­ ­
a c d e
X X
X X

9．微地址转移逻辑表达式如下：
μA8 = P1·IR6·T4
μA7 = P1·IR5·T4
μA6 = P2·C·T4
其中μA8-μA6为微地址寄存器相应位，P1和P2为判别标志，C为进位标志,IR5和IR6为指令寄存器的相应位，T4为时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义，画出微地址转移逻辑图。

解：
μA5=P3·IR5·T4
μA4=P3·IR4·T4
μA3=P1·IR3·T4
μA2=P1·IR2·T4
μA1=P1·IR1·T4
μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4
用触发器强置端（低有效）修改，前5个表达式用“与非”门实现,最后1个用“与或非”门实现
μA2、μA1、μA0触发器的微地址转移逻辑图如下： （其他略)

10．某计算机有如下部件，ALU，移位器，主存M，主存数据寄存器MDR，主存地址寄存器MAR，指令寄存器IR，通用寄存器R0~R3，暂存器C和D.
（1）请将各逻辑部件组成一个数据通路,并标明数据流动方向。
（2)画出“ADD R1，R2”指令的指令周期流程图。

解：
（1) 设该系统为单总线结构，暂存器C和D用于ALU的输入端数据暂存,移位器作为ALU输出端的缓冲器，可对ALU的运算结果进行附加操作，则数据通路可设计如下:

（2) 根据上面的数据通路，可画出“ADD R1，R2”(设R1为目的寄存器）的指令周期流程图如下：

11．已知某机采用微程序控制方式,控存容量为512＊48位.微程序可在整个控存中实现转移，控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式.请问；
(1)微指令的三个字段分别应为多少位？
（2)画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。

解：
(1) 因为容量为512＊48位，所以下址字段需用9位，控制微程序转移的条件有4个,所以判别测试字段需4位或（3位译码）,因此操作控制字段的位数48-9—4=35位(或48—9—3=36位)
（2)微程序控制器逻辑框图参见教材P。147图5.23
控制存储器
地址译码
微地址寄存器
OP
P字段 控制字段
地址转移
逻辑

状态条件
指令寄存器IR
微命令信号
微命令寄存器

12．今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步 操作的时间依次为100ns，100ns，80ns,50ns。请问；
（1)流水线的操作周期应设计为多少？
(2)若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施,那么第2条指令要推迟多少时间进行?
（3）如果在硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间?

答：
(1) 流水操作周期为max（100,100,80,50)=100ns
（2）若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么在第1条指令“送结果”步骤完成后，第2条指令的“取数”步骤才能开始，也就是说，第2条指令要推迟两个操作周期，即200ns才能进行。
(3） 如果在硬件设计上加以改进,采用定向传送的技术，则只要第1条指令完成“运算”的步骤，第2条指令就可以“取数”了，因此至少需推迟100ns.

13．指令流水线有取指（IF）、译码(ID)、执行(EX）、访存(MEM)、写回寄存器堆（WB）五个过程段，共有20条指令连续输入此流水线。
(1）画出流水处理的时空图,假设时钟周期为100ns。
（2）求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）。
（3)求流水线的加速比。

解：
（1） 流水处理的空图如下，其中每个流水操作周期为100ns：

空间S

I1
I2

I15
I16
I17
I18
I19
I20

WB

I1
I2
¼
I15
I16
I17
I18
I19
I20

MEM

I1
I2
I3
¼
I16
I17
I18
I19
I20

EX

I1
I2
I3
I4
¼
I17
I18
I19
I20

ID

I1
I2
I3
I4
I5
¼
I18
I19
I20

IF
I1
I2
I3
I4
I5
I6
¼
I19
I20

1
2
3
4
5
6
¼
19
20
21
22
23
24
时间T

（2) 流水线的实际吞吐量：执行20条指令共用5+1´19=24个流水周期，共2400ns,所以实际吞吐率为:

(3) 流水线的加速比为 ：
设流水线操作周期为τ,
则n指令串行经过k个过程段的时间为n＊k*τ ;
而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为(k+n-1)*τ;
故20条指令经过5个过程段的加速比为：

14．用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率.

解：
设流水计算机的指令流水线分为4个过程段：IF、ID、EX、WB，则流水计算机的时空图如下：
空间S

I1
I2
I3
I4
I5

WB

I1
I2
I3
I4
I5

EX

I1
I2
I3
I4
I5
I6

ID

I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7

IF
I1
I2
I3
I4
I5
I6
I7
I8

1
2
3
4
5
6
7
8
时间T

非流水计算机的时空图：
空间S

I1

I2

WB

I1

I2

EX

I1

I2

ID

I1

I2

IF
I1

I2

1
2
3
4
5
6
7
8
时间T

由图中可以看出同样的8个操作周期内，流水计算机执行完了5条指令,而非流水计算机只执行完了2条指令;由此,可看出流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率.

15．用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

证明：
设流水计算机具有k级流水线，每个操作周期的时间为t，执行n条指令的时间为:；
吞吐率为：
而非流水计算机，执行n条指令的时间为：；
吞吐率为：

当n=1时,;
当n>1时,，即:流水计算机具有更高的吞吐率。

16．判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关?
（1) I1 LAD R1，A ； M（A）→R1，M（A）是存储器单元
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）是存储器单元
I2 MUL R6，R7 ； （R6)´ （R7)→R6

解：

(1） I1的运算结果应该先写入R1，然后再在I2中读取R1的内容作为操作数，所以是发生RAW （“写后读”）相关
(2) WAR
(3） RAW和WAW两种相关

17．参考图5。39所示的超标量流水线结构模型，现有如下6条指令序列：
I1 LAD R1，B ； M（B)→R1，M（B)是存储器单元
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)是存储器单元
I6 ADD R6，R7 ； (R6)+（R7）→R6
请画出：（1）按序发射按序完成各段推进情况图。
(2）按序发射按序完成的流水线时空图。

解:
(1) 按序发射按序完成各段推进情况图如下（仍设F、D段要求成对输入；F、D、W段只需1个周期;加需要2个周期;乘需要3个周期；存/取数需要1个周期；执行部件内部有定向传送，结果生成即可使用):

15

取指段
I1
I2
I3
I4

I5
I6

译码段

I1
I2

I2
I3
I4
I5
I6

I6

执行段

I1

I2

I2 I4
I3
I5
I4
I3

I6
I3

I6

取/存
加法器
乘法器

写回段

I1

I2

I3

I4
I5

I6

(2) 按序发射按序完成的流水时空图如下：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
时钟
I1
F
D
E
W

I2
F
D

E
E
W

I3
F

D
E
E
E
W

I4
F

D
E
E

W

I5
F
D
E

W

I6
F
D

E
E

W

超标量流水线的时空图