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)內(nèi)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)。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(biāo)出各微操 作信號(hào)序列。A總線解：STO R1, (R2)的指令流程圖及微操作信號(hào)序列如下:STO R1, (R2)(PC) ARPCo, G, ARi(M) DR R/W=R(DR) IRDRo, G, IRi3參見圖5.1

2、5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(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：I(PC) f AR1(M) f DR(DR) f IRJ1LAD (R3), R0(R3) f AR1r(M) f DRJI(DR) f R0J1PCo, G, AR iR/W=RDRo, G, IRiR30, G, AR iR/W=RDRo, G, Roi4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

3、中要產(chǎn)生3個(gè)節(jié)拍脈沖；T尸200ns,T2=400ns,T3=200ns, 試畫出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖。解：取節(jié)拍脈沖Ti、T2、T3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.;由于要輸出3個(gè)節(jié) 拍脈沖信號(hào)，而T3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 C4外，還需要3個(gè)觸發(fā)器一一Ci、C2、C3；并令Ti二G“C2 ； T C2 C3 ； T3二C1C3，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

4、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80 (4-1)+仁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 Si C來控制執(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，©為0或l任選。試以指令碼(A，B，H，D，E，F(xiàn)，G)為輸入變量，寫出控制參數(shù) M，S3，S2，Sl，C的邏輯表達(dá)式指令碼MS3S2S1CA, B 100110H, D01101E0010yF0111yG1011*解：由表可列如下邏

5、輯方程M=GS3=H+D+FS2=A+B+D+H+E+F+GSi =A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8. 某機(jī)有8條微指令I(lǐng)iIs，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abcdefghijI1VVVVV12VVV13V14V15V716寸V17VVV1877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，(

6、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) 出現(xiàn)的互斥信號(hào)，所以可將其通過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。e f h b i ja c d gX XX X或.e f hd i ja b c gX XX X或.f h ib g ja c d eX XX X9. 微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下:卩 A8 = P1 IR6 T 4卩 A7 = P1 IR5 T4卩 A6 = P2 C T4其中卩A8y A6為微地址寄存器相應(yīng)位，Pl和P

7、2為判別標(biāo)志，C為進(jìn)位標(biāo)志， IR5和IR6為指令寄存器的相應(yīng)位，T4為時(shí)鐘周期信號(hào)。說明上述邏輯表達(dá)式的 含義，畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解：卩 A5=P3 IR5 T 41 A4=P3 IR4 T 4卩 A3=Pl IR3 T41 A2=Pi IR2 T 41 Ai=Pi IR1 T41 Ao=Pi IRo T 4+P2 C T 4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)1 A2、i Ai、1 Ao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MAR，指令寄存器IR，通

8、用寄存器Ro、R3，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。(2) 畫出“ 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(duì) ALU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： 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) IRPC+1(R1) C1F(R2)D1；(C)+(D)移位器(移位器)R1r11.已知某機(jī)采用微程序控制方式，

9、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 微指令地址采用斷定方式。請(qǐng)問；(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

10、次為100ns，100ns, 80ns，50ns。請(qǐng)問；(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)，而且在硬件上不采取措施，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(100,100,80,50)=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(gè)操作周期，即200ns才能進(jìn)行。 如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，采用定向傳送的技術(shù)，則只要第1條指令完成“運(yùn)算”的步驟，第

11、2條指令就可以“取數(shù)”了，因此至少需推遲100ns。13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(shí)空?qǐng)D，假設(shè)時(shí)鐘周期為100 ns。(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100n s：WBMEM:1t1kiLA1' tI1I2a a aI 15I16I17I18I19I 20I11213a a aI 16I17I18I19I 20空間 S AI 1 I 2I15 I 16

12、 I 17 I 18 I 19I 20IlI2I314a a aI 17I18I19I 20IlI2I314I5a a aI 18I19I20IlI2I3I4I516a a aI 19I 20EXIDIF36192021222324452時(shí)間T 流水線的實(shí)際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+1 19=24個(gè)流水周期，共2400ns, 所以實(shí)際吞吐率為：209 :- 8.333百萬條指令/秒2400 10流水線的加速比為：設(shè)流水線操作周期為T ,則n指令串行經(jīng)過k個(gè)過程段的時(shí)間為n*k* t ;而n條指令經(jīng)過可并行的k段流水線時(shí)所需的時(shí)間為（k+n-1）* t ;故20條指令經(jīng)過5個(gè)過程段的加速比為

13、：20 55 19.4.1714用時(shí)空?qǐng)D法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率 解：設(shè)流水計(jì)算機(jī)的指令流水線分為4個(gè)過程段：IF、ID、EX、WB，則流水計(jì)算機(jī) 的時(shí)空?qǐng)D如下：空間S jI1:1I 2' 1I 3I4I5IWBI112I 3I4I 5EXI1I 2I 3I4I 5I 6IDI1I 2I 3I4I 5I 6I7IFI112I 3I4I 5I 6I7I 812345678時(shí)間T由圖中可以看出，同樣的 非流水計(jì)算機(jī)只執(zhí)行完了 具有更高的吞吐率。非流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D:空間s：h*I1hII2IWBI1I 2EXI1I 2IDI1I 2IFI1I 212345678時(shí)間T

14、8個(gè)操作周期內(nèi)，流水計(jì)算機(jī)執(zhí)行完了 5條指令，而2條指令；由此，可看出流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)15 用定量描述法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。證明：設(shè)流水計(jì)算機(jī)具有k級(jí)流水線，每個(gè)操作周期的時(shí)間為.，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：T = k n 一1.；吞吐率為：H1- 一(k + n _ 1 M而非流水計(jì)算機(jī)，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：T = n k .；吞吐率為：h2nn kH1 n kn kH 2 k n -1k n -1當(dāng) n=1 時(shí)，Hi 二 H2 ；當(dāng)n>1時(shí)，HiH2，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) I1LADR1,A

15、; M(A) R1, M(A)是存儲(chǔ)器單元I2ADDR2，Rl;(R2)+(R1) R2(2) I1ADDR3,R4;(R3)+(R4) R3I2MULR4,R5;(R4) (R5) R4(3) I1LADR6,B;M(B) R6, M(B)是存儲(chǔ)器單元I2MULR6,R7;(R6) (R7) R6解：(1) I1的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該先寫入 R1,然后再在12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)WARRAW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:11 LADR1，B;M(B) R1，M(B)是存儲(chǔ)器單元12 SUBR2，Rl;(R2)-(R1) R213 MULR3，R4;(R3)*(R4) R314 ADDR4，R5;(R4)+(R5) R415 LADR6, A;M(A) R6，M(A)是存儲(chǔ)器單元I6 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