第09章 控制單元的功能

1、第九章2. 控制單元的功能是什么？其輸入受什么控制？答：控制單元的主要功能是發(fā)出各種不同的控制信號。其輸入受時鐘信號、指令寄存器的操作碼字段、標志和來自系統(tǒng)總線的控制信號的控制。3. 什么是指令周期、機器周期和時鐘周期？三者有何關系？答：CPU每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期；機器周期是在同步控制的機器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作（指令步）所需時間，通常安排機器周期長度等于主存周期；時鐘周期是指計算機主時鐘的周期時間，它是計算機運行時最基本的時序單位，對應完成一個微操作所需時間，通常時鐘周期等于計算機主頻的倒數(shù)。    4. 能不能說機器的主頻越快，機器

2、的速度就越快，為什么？解：不能說機器的主頻越快，機器的速度就越快。因為機器的速度不僅與主頻有關，還與數(shù)據(jù)通路結構、時序分配方案、ALU運算能力、指令功能強弱等多種因素有關，要看綜合效果。5. 設機器A的主頻為8MHz，機器周期含4個時鐘周期，且該機的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機的平均指令周期和機器周期，每個指令周期中含幾個機器周期？如果機器B的主頻為12MHz，且機器周期也含4個時鐘周期，試問B機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS?解：先通過A機的平均指令執(zhí)行速度求出其平均指令周期，再通過主頻求出時鐘周期，然后進一步求出機器周期。B機參數(shù)的算法與A機類似。計算如下：A機平均指令周期

3、=1/0.4MIPS=2.5µsA機時鐘周期=1/8MHz=125nsA機機器周期=125ns×4=500ns=0.5µs A機每個指令周期中含機器周期個數(shù)=2.5µs÷0.5µs=5個B機時鐘周期 =1/12MHz»83nsB機機器周期 =83ns×4=332ns設B機每個指令周期也含5個機器周期，則：B機平均指令周期=332ns×5=1.66µsB機平均指令執(zhí)行速度=1/1.66µs=0.6MIPS    結論：主頻的提高有利于機器執(zhí)行速度的提高。6. 設某機主

4、頻為8MHz，每個機器周期平均含2個時鐘周期，每條指令平均有4個機器周期，試問該機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若機器主頻不變，但每個機器周期平均含4個時鐘周期，每條指令平均有4個機器周期，則該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少MIPS？由此可得出什么結論？解：先通過主頻求出時鐘周期，再求出機器周期和平均指令周期，最后通過平均指令周期的倒數(shù)求出平均指令執(zhí)行速度。計算如下：時鐘周期=1/8MHz=0.125×10-6s機器周期=0.125×10-6s×2=0.25×10-6s平均指令周期=0.25×10-6s×4=10-6s平均指令執(zhí)行速

5、度=1/10-6s=1MIPS當參數(shù)改變后：機器周期= 0.125×10-6s×4=0.5×10-6s平均指令周期=0.5×10-6s×4=2×10-6s平均指令執(zhí)行速度=1/（2×10-6s） =0.5MIPS結論：兩個主頻相同的機器，執(zhí)行速度不一定一樣。7. 某CPU的主頻為10MHz，若已知每個機器周期平均包含4個時鐘周期，該機的平均指令執(zhí)行速度為1MIPS，試求該機的平均指令周期及每個指令周期含幾個機器周期？若改用時鐘周期為0.4µs的CPU芯片，則計算機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若要得到平均每秒8

6、0萬次的指令執(zhí)行速度，則應采用主頻為多少的CPU芯片？解：先通過主頻求出時鐘周期時間，再進一步求出機器周期和平均指令周期。   時鐘周期=1/10MHz=0.1×10-6s機器周期=0.1×10-6s×4=0.4×10-6s   平均指令周期=1/1MIPS=10-6s   每個指令周期所含機器周期個數(shù)=10-6s /0.4×10-6s =2.5個   當芯片改變后：機器周期=0.4µs×4=1.6µs平均指令周期=1.6µs×2.5=4

7、1;s   平均指令執(zhí)行速度=1/4µs=0.25MIPS   若要得到平均每秒80萬次的指令執(zhí)行速度，則:平均指令周期=1/0.8MIPS=1.25×10-6=1.25µs機器周期=1.25µs÷2.5=0.5µs時鐘周期= 0.5µs÷4=0.125µsCPU主頻=1/0.125µs=8MHz8. 某計算機的主頻為6MHz，各類指令的平均執(zhí)行時間和使用頻度如下表所示，試計算該機的速度（單位用MIPS表示），若上述CPU芯片升級為10MHz，則該機的速度又為多少？指令類別存

8、取加、減、比較、轉移乘除其它平均指令執(zhí)行時間0.6µs0.8µs10µs1.4µs使用頻度35%45%5%15%解: (1)指令平均運行時間 =（0.6×0.35+0.8×0.45+10×0.05+1.4×0.15）s= 1.28s       機器平均運行速度 = 1/1.28s0.78MIPS(2)時鐘周期 = 1/6MHz0.167s 指令平均運行周期數(shù) = 1.28s ÷0.167s7.66CPI若CPU芯片升級為10MHz，時鐘周期 = 1/10MHz=0.1s指令

9、平均運行時間 = 0.1s×7.66=0.766s機器平均運行速度 = 1/0.766s1.3MIPS10. 試比較同步控制、異步控制和聯(lián)合控制的區(qū)別。答：同步控制是指任何一條指令或指令中任何一個微操作的執(zhí)行都是事先確定的，并且都受同一基準時標的時序信號所控制的方式。異步控制無基準時標信號，微操作的時序是由專門的應答線路控制，即控制單元發(fā)出執(zhí)行某一微操作的控制信號后，等待執(zhí)行部件完成了該操作后發(fā)回“回答”或“結束”信號，再開始新的微操作。聯(lián)合控制是同步控制和異步控制相結合的方式，即大多數(shù)操作（如CPU內部各操作）在同步時序信號的控制下進行，少數(shù)時間難以確定的微操作（如涉及I/O操作）

10、采用異步控制。11. 設CPU內部結構如圖9.4所示，此外還設有B、C、D、E、H、L六個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都與內部總線相通，并分別受控制信號控制（如Bi為寄存器B的輸入控制；Bo為B的輸出控制）。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的全部微操作和控制信號。 （1）ADD B，C (B)+(C) ®B) （2）SUB A,H (AC)-(H) ®AC)解：先畫出相應指令的流程圖，然后將圖中每一步數(shù)據(jù)通路操作分解成相應的微操作，再寫出同名的微命令即可。 （1） ADD B，C指令流程及微命令序列如下： （2） SUB A，H指令流程及微命令序列如下：1

11、3. 設CPU內部結構如圖9.4所示，此外還設有R1R4四個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都與內部總線相通，并分別受控制信號控制（如R2i為寄存器R2的輸入控制；R2o為R2的輸出控制）。要求從取指令開始，寫出完成下列指令所需的全部微操作和控制信號。 （1）ADD R2，R4 ； (R2)+(R4) ®R2，寄存器間接尋址) （2）SUB R1,mem ； (R1)-(mem) ®R1，存儲器間接尋址)解：（1）ADD R2，R4的指令周期信息流程圖及微操作控制信號如下： （2）SUB R1,mem指令周期信息流程圖及微操作控制信號如下： 14. 設單總線計算機結構如圖9.5所示，其中M為主存，XR為變址寄存器，EAR為有效地址寄存器，LATCH為鎖存器。假設指令地址已存于PC中，畫出“LDA *D”和“SUB X,D”指令周期信息流程圖，并列出相應的控制信號序列。說明：（1）“LDA *D”指令字中*表示相對尋址，D為相對位移量。（2）“SUB X,D”指令字中X為變址寄存器XR，D為形式地址。（3）寄存器的輸入和