計(jì)算機(jī)組成原理答案

1、第5章習(xí)題參考答案1請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)填入適當(dāng)答案。在CPU中：(1) 保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是(IR );(2) 保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址的寄存器是(AR )(3) 算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在(DR )和( 通用寄存器 )o2. 參見(jiàn)圖5.15的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令“STO Rh (R2) ”的指令周期流程 圖，其含義是將寄存器R1的容傳送至(R2)為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作 信號(hào)序列。A總線解：STO Rl, (R2)的指令流程圖及微操作信號(hào)序列如下:STOR1JR2)PCo, G、ARjR/W=RDR。, G, IRjR20, G, ARjRio, G, DRjR/W=W3. 參見(jiàn)

2、圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令“LAD (R3), R0”的指令周期流程 圖，其含義是將(R3)為地址主存單元的容取至寄存器R2中，標(biāo)出各微操作控制 信號(hào)序列。解：LAD R3, (R0)的指令流程圖及為操作信號(hào)序列如下：LAD （R3）, ROPC。, G, ARjR/W=RDR（）, G, IRjR30, G, ARjR/W=RDRo, G、R（）j4. 假設(shè)主脈沖源頻率為10MHz,要求產(chǎn)生5個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖，試畫出時(shí)序 產(chǎn)生器的邏輯圖。解:5. 如果在一個(gè)CPU周期中要產(chǎn)生3個(gè)節(jié)拍脈沖；Ti = 200ns, T2=400ns, Ta=200ns, 試畫出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖。解：取

3、節(jié)拍脈沖、門、心的寬度為時(shí)鐘周期或者是時(shí)鐘周期的倍數(shù)即可。所以 取時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘周期為200ns,即，其頻率為5MHz.；由于要輸岀3個(gè)節(jié)拍 脈沖信號(hào)，而入的寬度為2個(gè)時(shí)鐘周期，也就是一個(gè)節(jié)拍電位的時(shí)間是4個(gè)時(shí) 鐘周期，所以除了 G外，還需要3個(gè)觸發(fā)器一一G、C2、G；并令T =Cy *c7; T =C2*C ; Ty由此可畫出邏輯電路圖如下：CLR6. 假設(shè)某機(jī)器有80條指令，平均每條指令由4條微指令組成，其中有一條取 指微指令是所有指令公用的。已知微指令長(zhǎng)度為32位，請(qǐng)估算控制存儲(chǔ)器容量。解：80條指令，平均每條指令由4條微指令組成，其中有一條公用微指令，所 以總微指令條數(shù)為80x (4

4、-1)+1=241條微指令，每條微指令32位，所以控存容 量為：241x32位7. 某ALU器件是用模式控制碼M S3 S2 S, C來(lái)控制執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)算和邏輯 操作。下表列出各條指令所要求的模式控制碼，其中y為二進(jìn)制變量，e為0 或1任選。試以指令碼(A, B, H, D, E, F, G)為輸入變量，寫出控制參數(shù)M, S3, S2, Sh C的邏輯表達(dá)式。指令碼MS3s2SicA, B00110H, D01101E0010yF0111yG1011e解：由表可列如下邏輯方程M 二Gs3=h+d+fS2二A+B+D+H+E+F+GS 產(chǎn) A+B+F+GC二H+D+Ey+Fy8. 某機(jī)有8條

5、微指令I(lǐng)-L,每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。 a-j分別對(duì)應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為 8位，請(qǐng)安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefgh1JI.V7VI277VI3V7I.7Is7V寸I677VI777Is777解：因?yàn)橛?0種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)，如果采用直接表示法則需要10位控 制字段，現(xiàn)控制字段僅限于8位，那么，為了壓縮控制字段的長(zhǎng)度，必須設(shè)法 把一個(gè)微指令周期中的互斥性微命令組合在一個(gè)小組中，進(jìn)行分組譯碼。經(jīng)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） 均是不可能同時(shí)

6、出現(xiàn)的互斥信號(hào)，所以可將其通過(guò)2:4譯碼后輸出三個(gè)微命令 信號(hào)（00表示該組所有的微命令均無(wú)效），而其余四個(gè)微命令信號(hào)用直接表示方 式。因此可用下面的格式安排控制字段。JT i T b T h T f T e TJT i個(gè) d T h T f T e Ta c d gX XX Xa b c gX XX X或：f h i b g ja c d eX XX X9. 微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下:u A = PI IRfi TtU A7 = Pl IRs T|u Ax = P2 C T4其中uAuA6為微地址寄存器相應(yīng)位，Pi和D為判別標(biāo)志，C為進(jìn)位標(biāo)志,IRs 和IR&為指令寄存器的相應(yīng)位，h為時(shí)鐘周

7、期信號(hào)。說(shuō)明上述邏輯表達(dá)式的含義， 畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解：P As=P3 IRs TjP A,=P；1 IR( T,u A：fPi IR： Tiu A2=Pi IR- TiP A產(chǎn)PiIR,T,U Ao=Pi IRo T4+P2 C Ti用觸發(fā)器強(qiáng)置端(低有效)修改，前5個(gè)表達(dá)式用“與非”門實(shí)現(xiàn)，最后1個(gè)用 “與或非”門實(shí)現(xiàn)uA“ nA：. nA。觸發(fā)器的微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：(其他略)10. 某計(jì)算機(jī)有如下部件，ALU,移位器，主存M,主存數(shù)據(jù)寄存器MDR,主存 地址寄存器HAR,指令寄存器IR,通用寄存器R。出，暫存器C和D。(1) 請(qǐng)將各邏輯部件組成一個(gè)數(shù)據(jù)通路，并標(biāo)明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。

8、(2) 畫出“ADD Rl, R2”指令的指令周期流程圖。解：(1) 設(shè)該系統(tǒng)為單總線結(jié)構(gòu)，暫存器C和D用于ALU的輸入端數(shù)據(jù)暫存，移位 器作為ALL輸出端的緩沖器，可對(duì)ALL的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行附加操作，則數(shù)據(jù)通路 可設(shè)計(jì)如下：(2) 根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫出“ADDR1, R2”(設(shè)R1為目的寄存器)的指令 周期流程圖如下：ADD Rl, R211. 已知某機(jī)采用微程序控制方式，控存容量為512*48位。微程序可在整個(gè)控 存中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個(gè)，微指令采用水平型格式，后繼 微指令地址釆用斷定方式。請(qǐng)問(wèn)；(1) 微指令的三個(gè)字段分別應(yīng)為多少位？(2) 畫出對(duì)應(yīng)這種微指令格式的微

9、程序控制器邏輯框圖。解：(1) 因?yàn)槿萘繛?12*48位，所以下址字段需用9位，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件有 4個(gè)，所以判別測(cè)試字段需4位或(3位譯碼)，因此操作控制字段的位數(shù) 48-9-4=35 位(或 48-9-3=36 位)(2) 微程序控制器邏輯框圖參見(jiàn)教材P. 147圖5. 2312. 今有4級(jí)流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操 作。今假設(shè)完成各步 操作的時(shí)間依次為100ns, 100ns, 80ns, 50ns。請(qǐng)問(wèn)；(1) 流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少？(2) 若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不釆取措施，那么第2條 指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行？(3) 如果在硬

10、件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)間？答：(1) 流水操作周期為 max(100,100t80t50)=100ns(2) 若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，那么在第1條指 令“送結(jié)果”步驟完成后，第2條指令的“取數(shù)”步驟才能開(kāi)始，也就是說(shuō)， 第2條指令要推遲兩個(gè)操作周期，即200ns才能進(jìn)行。(3) 如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，釆用定向傳送的技術(shù)，則只要第1條指令完 成“運(yùn)算的步驟，第2條指令就可以“取數(shù)”了，因此至少需推遲lOOnSo13. 指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)、訪存(MEM).寫回寄存器堆 (WB)五個(gè)過(guò)程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。

11、(1) 畫出流水處理的時(shí)空?qǐng)D，假設(shè)時(shí)鐘周期為100nso(2) 求流水線的實(shí)際吞吐率(單位時(shí)間里執(zhí)行完畢的指令數(shù))。(3) 求流水線的加速比。解：(1)流水處理的空?qǐng)D如下，其中每個(gè)流水操作周期為100ns：1112 In11811912011LL1H2f即：流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。16.判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)?(1) 11LADRl, A；M(A)-R1, H(A)是存儲(chǔ)器單元I2 ADDR2, R1；(R2) + (R1)-R2(2) I, ADDR3, R4；(R3) + (R4)R3I2 MULR4, R5；(R4)x(R5)fR4(3) I,LADR6, B;l

12、(B)fR6, M(B)是存儲(chǔ)器單元12 MULR6, R7；(R6)x (R7)fR6解:(1) h的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該先寫入然后再在h中讀取乩的容作為操作數(shù)，所以 是發(fā)生RAW (“寫后讀”)相關(guān)(2) WAR(3) RAW和WAW兩種相關(guān)17.參考圖5. 39所示的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有如下6條指令序列:I.LAD Rl, B;M(B)-R1, M(B)是存儲(chǔ)器單元I2SUB R2, R1；(R2)-(Rl)fR2I3MIL R3, R4；(R3)*(R4)fR3LADD R4, R5；(R4) + (R5)fR4IsLAD R6, A;M(A)-R6, M(A)是存儲(chǔ)器單元Ie ADD R6, R7 ；(R6) + (R7)-R6請(qǐng)畫出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖。(2)按序發(fā)射按序完成的流水線時(shí)空?qǐng)D。解：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖如下(仍設(shè)F、D段要求成對(duì)輸入；F、D、 W段只需1個(gè)周期；加需要2個(gè)周期；乘需要3個(gè)周期；存