習題參考答案

1、第5章習題參考答案1 .請在括號內(nèi)填入適當答案。在 CPU中：保存當前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（IR ）;（2）保存當前正在執(zhí)行的指令地址的寄存器是（AR ）算術(shù)邏輯運算結(jié)果通常放在（DR ）和（ 通用寄存器 ）。2 .參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令" STO Rl, （R2）”的指令周期流程 圖，其含義是將寄存器Rl的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的主存單元中。標出各微操 作信號序列。解：STO R1, （R2）的指令流程圖及為操作信號序列如下:STO R1, (R2)(PC)-AR(M) -DR,(DR) -IR(R2)fAR(R1)f DR(DR) -MPCo, G, AR

2、iR/W=RDRo, G, IRiR20, G, AR iR10, G, DRiR/W=W3 .參見圖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)為地址主存單元的內(nèi)容取至寄存器 R2中，標出各微操作控制信 號序列。解：LAD R3, (R0)的指令流程圖及為操作信號序列如下：LAD (R3), R0PCo, G, AR iR/W=RDRo, G, IRiR30, G, AR iR/W=RDRo, G, R0i4 .假設(shè)主脈沖源頻率為10MHz,要求產(chǎn)生5個等間隔的節(jié)拍脈沖，試畫出時序 產(chǎn)生器的邏輯圖。解:5 .如果在一個 CPU周期中要產(chǎn)生3

3、個節(jié)拍脈沖；Ti = 200ns,T2=400ns,T3=200ns, 試畫出時序產(chǎn)生器邏輯圖。解：取節(jié)拍脈沖Ti、T2、T3的寬度為時鐘周期或者是時鐘周期的倍數(shù)即可。所 以取時鐘源提供的時鐘周期為200ns,即，其頻率為5MHz.;由于要輸出3個節(jié) 拍脈沖信號，而T3的寬度為2個時鐘周期，也就是一個節(jié)拍電位的時間是 4個 時鐘周期，所以除了 C4外，還需要3個觸發(fā)器一一Ci、C2、C3；并令Ti Ci c7； Ti C2 C3; T3 Cid,由此可畫出邏輯電路圖如下：Tf6 .假設(shè)某機器有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。已知微指令長度為32

4、位，請估算控制存儲器容量。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80 (4-1)+1=241條微指令，每條微指令32位，所以控存容量 為：241 32位7 .某ALU器件是用模式控制碼 M S3 S2 S1 C來控制執(zhí)行不同的算術(shù)運算和邏輯 操作。下表列出各條指令所要求的模式控制碼，其中y為二進制變量，小為0或l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, S, C的邏輯表達式指令碼MS3S2S1CA, B 100110H, D01101E0010yF0111yG1011解：由表可列如下

5、邏輯方程M=GS3=H+D+F 2A+B+D+H+E+F+G Si=A+B+F+G C=H+D+Ey+Fy8 .某機有8條微指令H-I8,每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示 aj分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為 8位，請安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghijIiI2I3I4I5I6I7I8解：因為有10種不同性質(zhì)的微命令信號，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度，必須設(shè)法 把一個微指令周期中的互斥性微命令組合在一個小組中，進行分組譯碼。經(jīng)分析，(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,

6、i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同時 出現(xiàn)的互斥信號，所以可將其通過 2:4譯碼后輸出三個微命令信號(00表示該組 所有的微命令均無效)，而其余四個微命令信號用直接表示方式。因此可用下面 的格式安排控制字段。e f h b i ja c d gX XX X或：e f h d i ja b c gX XX X或：f h i b g ja c d eX XX X9 .微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達式如下:N A8 = P1 IR6 T4N A7 = P1 IR5 T4N A6 = P2 C T4其中A A8 pA6為微地址寄存器相應(yīng)位，P1和P2為判別標志，C為進位標志,

7、IR5和IR6為指令寄存器的相應(yīng)位，T4為時鐘周期信號。說明上述邏輯表達式的 含義，畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解：A8 = Pl IR6 - T4表示微地址的第8位在Pl有效時，用IR6設(shè)置A7 = P1 IR5 - T4表示微地址的第7位在P1有效時，用IR5設(shè)置A6 = P2 C T4表示微地址的第6位在P2有效時，用進位標志C設(shè)置， 地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：A AbA A7A A610 .某計算機有如下部件，ALU ,移位器，主存M,主存數(shù)據(jù)寄存器MDR,主 存地址寄存器MAR,指令寄存器IR,通用寄存器Ro R3,暫存器C和D。(1)請將各邏輯部件組成一個數(shù)據(jù)通路，并標明數(shù)據(jù)流動方向。(2)畫

8、出“ADD R1 , 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ALU輸出端的緩沖器，可對 ALU的運算結(jié)果進行附加操作，則數(shù)據(jù)通 路可設(shè)計如下：(2)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫出ADD R1 , R2"(設(shè)R1為目的寄存器)的指令周期流程圖如下:ADD R1, R2(PC)- MAR (M) - MDR (MDR) IR PC+1(R1) -C(R2) -D(C)+(D)-移位器(移位器)-R111 .已知某機采用微程序控制方式，控存容量為 512*48位。微程序可在整個控 存中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共

9、4個，微指令采用水平型格式，后繼 微指令地址采用斷定方式。請問；(1)微指令的三個字段分別應(yīng)為多少位？(2)畫出對應(yīng)這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。解：(1)因為容量為512*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，所以判別測試字段需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教材 P.147圖5.23指令寄存器IROP狀態(tài)條件12 .今有4級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運算、送結(jié)果四步操作。今假設(shè)完成各步操作的時間依次為100ns, 100ns, 80ns, 50ns。請問；(

10、1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計為多少？(2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，那么第 2條 指令要推遲多少時間進行？(3)如果在硬件設(shè)計上加以改進，至少需推遲多少時間？(1)流水操作周期為 max(100,100,80,50)=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)”步驟才能開始，也就是說，第2條指令要推遲兩個操作周期，即200ns才能進行。(3)如果在硬件設(shè)計上加以改進，采用定向傳送的技術(shù)，則只要第 1條指令完成 “運算”的步驟，第2條指令就可以“取數(shù)” 了，因此至少需推遲 100nso13

11、 .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)五個過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。(1)畫出流水處理的時空圖，假設(shè)時鐘周期為 100nso(2)求流水線的實際吞吐率(單位時間里執(zhí)行完畢的指令數(shù))。(3)求流水線的加速比。解：(1)流水處理的空圖如下，其中每個流水操作周期為100ns：空間S ibIi1I 2/II 16I 17:1I 181I 19LJWBIiI2I 15I 16I 17I 18I 19I 20MEMIiI2I3I 16I17I 18I 19I 20I 20IiI2I3I4I 17I 18I 19I 20IiI2I3I4

12、I5I 18I 19I20IiI2I3I4I5I6I 19I 20EXIDIF123456192021222324時間T(2)流水線的實際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+1 19=24個流水周期，共2400ns, 所以實際吞吐率為：20一r 8.333百萬條指令/秒2400 10(3)流水線的加速比為：設(shè)流水線操作周期為j則n指令串行經(jīng)過k個過程段的時間為n*k* r ；而n條指令經(jīng)過可并行的k段流水線時所需的時間為(k+n-1)*p；故20條指令經(jīng)過5個過程段的加速比為：20 55 194.1714 .用時空圖法證明流水計算機比非流水計算機具有更高的吞吐率。解：空間S11t t 1IiI 2I

13、 3I4I 5I 1I 2I 3I4I 5I 6IiI 2I 3I4I 5I 6I7Ii12I 3I4I 5I 6I 7I 8WBEXIDIF345612I 1 I 2 I 3 I4 I578 時間T設(shè)流水計算機的指令流水線分為4個過程段：IF、ID、EX、WB,則流水計算機 的時空圖如下：非流水計算機的時空圖:由圖中可以看出，同樣的 非流水計算機只執(zhí)行完了 具有更高的吞吐率。8個操作周期內(nèi)，流水計算機執(zhí)行完了 5條指令，而2條指令；由此，可看出流水計算機比非流水計算機15.用定量描述法證明流水計算機比非流水計算機具有更高的吞吐率證明：設(shè)流水計算機具有k級流水線，每個操作周期的時間為 ，執(zhí)行n

14、條指令的時間為：T k n 1；吞吐率為：Hi nk n 1而非流水計算機，執(zhí)行n條指令的時間為：T n k ;吞吐率為：H 2-nn kH 1n kn kH 2 k n 1 k n 1當 n=1 時，H1 H2;當n>1時，H1 H2 ,即：流水計算機具有更高的吞吐率。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) I1LADR1,A;M(A) 一R1, M(A)是存儲器單元I2ADDR2,Rl;(R2)+(R1)一R2(2) I1 ADD R3, R4 ;(R3)+(R4)-R3I2 MUL R4, R5;(R4) (R5)一R4(3) I1LADR6,B;M(B) 一R6

15、, M(B)是存儲器單元I2 MUL R6, R7;(R6) (R7)一R6解：(1) I1的運算結(jié)果應(yīng)該先寫入 R1,然后再在I2中讀取R1的內(nèi)容作為操作數(shù)，所 以是發(fā)生RAW (“寫后讀”)相關(guān)(2) WARRAW和 WAW 兩種相關(guān)17.參考圖5.39所示的超標量流水線結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有如下6條指令序列:I1LADR1,B;M(B) 一 R1, M(B)是存儲器單元I2SUBR2,Rl;(R2)-(R1) - R2I3MULR3,R4;(R3)*(R4) 一R3I4ADDR4,R5;(R4)+(R5)一R4I5 LAD R6, A ;M(A)-R6, M(A)是存儲器單元I6 ADD R6, R7 ;(R6)+(R7)一R6請畫出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進情況圖(2)按序發(fā)射按序完成的流水線時空圖解：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進情況圖如下(仍設(shè)F、D段要求成對輸入；F、D