计算机组成原理习题答案第七章.doc

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＝ １
０ ．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 ００ ０００００００１ ０００００００１ B ０１ ００００００１０ ００００００１０ C １０ ００００００１１ ００００００１１ J ００ ０００００１００ ０００００１００ L ００ ００００１０１１ ００００１０１０ D ００ ００００１０１１ ００００１０１１ O ００ ００００００００ ０００１００１０ E ００ ０００１００１１ ０００１００１１ G ００ ０００１０１００ ０００１０１００ K ００ ０００１０１０１ ０００１０１０１ M ００ ０００１０１１０ ０００１０１１０ N ００ ００００１０１１ ０００１１０１０ F ００ ０００１１０１１ ０００１１０１１ H ００ ０００１０１０１ ００１０００１１ I ００ ００００１０１１ 　　（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 ：　１００００１１１
２１ ．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 。__

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