計算機組成原理課后答案(第二版)第十章

控制單元的設計第十章整理課件1.假設響應中斷時，要求將程序斷點存在堆棧內(nèi)，并且采用軟件方法尋找中斷效勞程序的入口地址，試寫出中斷隱指令的微操作及節(jié)拍安排。

解：設軟件查詢程序首址為0號內(nèi)存單元，那么中斷隱指令的微操作命令及節(jié)拍安排如下：

T00EINT，SPMAR

T1PCMDR，0-W，SP+1SP

T2MDRM〔MAR〕

T3SPMAR

T4PSWMDR，0-W，SP+1SP

T50PC，MDRM〔MAR〕

由于題意中沒有給出確切的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)，故上述節(jié)拍分配方案的并行性較低。2.寫出完成以下指令的微操作及節(jié)拍安排〔包括取指操作〕。

〔1〕指令ADDR1，X完成將R1存放器的內(nèi)容和主存X單元的內(nèi)容相加，結(jié)果存于R1的操作。

〔2〕指令ISZX完成將主存X單元的內(nèi)容增1，并根據(jù)其結(jié)果假設為0，那么跳過下一條指令執(zhí)行。

解：該題題意中沒有指定數(shù)據(jù)通路，因此排序前應先設定一下。在此設采用單總線結(jié)構(gòu)的CPU數(shù)據(jù)通路，且ALU輸入端設兩個暫存器C、D〔見17題圖〕。并設采用同步控制，每周期3節(jié)拍：〔1〕指令ADDR1，X的微操作及節(jié)拍安排如下：

取指周期：

T0PCMAR，1R

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期1：

T0X(IR)MAR，1R

T1R1C，M(MAR)MDR

T2MDRD

執(zhí)行周期2：

T0

T1

T2+，ALUR1〔2〕指令ISZX的微操作及節(jié)拍安排〔取指周期同〔1〕，略〕：

執(zhí)行周期1：

T0X(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR

T2MDRC

執(zhí)行周期2：

T0+1，ALUMDR

T10-W

T2MDRM(MAR)

(PC+1)·Z

〔設Z為結(jié)果為0標志〕

該指令的操作在一個執(zhí)行周期做不完，因此安排了兩個執(zhí)行周期。3.按序?qū)懗鲆韵鲁绦蛩璧娜课⒉僮髅罴肮?jié)拍安排。指令地址指令300301302303304LDA306ADD307BAN304STA305STP解：由于題意未明確要求采用何種控制器結(jié)構(gòu)，故仍按較簡單的組合邏輯時序關系安排節(jié)拍〔單總線、同步控制，假設同上題〕：

LDA306指令：

取指周期：

T0PCMAR，1R

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期：

T0306(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR

T2MDRACADD307指令：取指周期：同上。

執(zhí)行周期1：

T0307(IR)MAR，1R

T1M(MAR)MDR，ACC

T2MDRD

執(zhí)行周期2：

T0

T1

T2+，ALUAC

BAN304指令：取指周期：同上。

執(zhí)行周期：〔設N為結(jié)果為負標志〕

T0

T1

T2N·304(IR)PCSTA305指令：

取指周期：同上。

執(zhí)行周期：

T0305(IR)MAR

T1ACMDR，0-W

T2MDRM(MAR)

STP指令：

取指周期：同上。

執(zhí)行周期：

T0

T1

T20G

〔G為停機標志。〕6.帶返轉(zhuǎn)指令的含義如以下圖所示，寫出機器在完成帶返轉(zhuǎn)指令時，取指階段和執(zhí)行階段所需的全部微操作及節(jié)拍安排。

主程序子程序M帶返轉(zhuǎn)KM+1JMPIKKK+1間址特征解：假設同上題，仍按組合邏輯、單總線、同步控制安排，帶返轉(zhuǎn)指令的全部微操作及節(jié)拍如下：

取指周期：

T0PCMAR，1R

〔注：MMAR〕

T1PC+1，M(MAR)MDR

T2MDRIR，OP(IR)ID

執(zhí)行周期：

T0K(IR)MAR

T1PCMDR，0-w

〔注：M+1MDR〕

T2MDRM(MAR)

K+1PC12.能否說水平型微指令就是直接編碼的微指令，為什么？

解：不能說水平型微指令就是直接編碼的微指令，因為符合水平型微指令特征的微指令都屬于水平型微指令，常見的有：直接編碼、字段直接編碼、字段間接編碼，及混合編碼等。直接編碼的微指令只是最典型的一種。15.設控制存儲器的容量為512×48位，微程序可在整個控存空間實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，而控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共有4個〔采用直接控制〕，微指令格式如下：操作控制轉(zhuǎn)移條件下地址操作控制順序控制試問微指令中的三個字段分別為多少位？解：微指令各字段位數(shù)分配如下：

3549操作控制轉(zhuǎn)移條件下地址操作控制順序控制

該微指令格式為水平型微指令。19.假設機器的主要部件有：程序計數(shù)器PC，指令存放器IR，通用存放器R0、R1、R2、R3，暫存器C、D，ALU，移位器，存儲器地址存放器MAR，存儲器數(shù)據(jù)存放器MDR及存儲矩陣M。

〔1〕要求采用單總線結(jié)構(gòu)畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。

〔2〕畫出ADD〔R1〕，〔R2〕指令在取指階段和執(zhí)行階段的信息流程圖。R1存放器存放源操作數(shù)地址，R2存放器存放目的操作數(shù)的地址。

〔3〕寫出對應該流程圖所需的全部微操作命令。解：〔1〕采用單總線結(jié)構(gòu)的CPU硬件框圖如下：R/-WPCMARMDRR3D移位器IRMALU單總線〔BUS〕R2R1R0C+–+1圖中，數(shù)據(jù)流動方向如箭頭所示。LDR〔2〕ADD〔R1〕，〔R2〕〔3〕對應該流程圖所

指令流程圖如下：需的全部微操作命令。

OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIR

ADDPCo，MARi1R+1〔可與前一步并行〕MDRo，IRiR1o，MARi

1R

MDRo，Ci

R2o，MARi

1R

MDRo，Di

ADD

R1MARMDRC

MM讀R2MAR

MM讀

MDRD

B+，D，MDRi

0-W

公操作〔C〕+〔D〕MDR

MM寫B(tài)

20.假設機器的主要部件同上題，外加一個控制門G。

〔1〕要求采用雙總線結(jié)構(gòu)〔每組總線的數(shù)據(jù)流動方向是單向的〕，畫出包含上述部件的硬件框圖，并注明數(shù)據(jù)流動方向。

〔2〕畫出SUBR1，R3完成〔R1〕-〔R3〕R1操作的指令周期信息流程圖〔假設指令地址已放在PC中〕，并列出相應的微操作控制信號序列。解：〔1〕雙總線結(jié)構(gòu)的CPU硬件框圖如下：圖中，數(shù)據(jù)流動方向如箭頭所示。R/-WPCMARMDRR3移位器IRMALUA總線R0C+–+1GB總線R1R2LDRD〔2〕SUBR1，R3指令周期流程圖如下：OP=？PCMARMM讀PC+1PCMDRIR

SUBPCo，G，MARi1R+1〔可與前一步并行〕MDRo，G，IRi

R1o，G，Ci

R3o，G，Di

-，D，G，R1i

SUB

R1C

〔C〕-〔D〕R1

R3D

21.下表給出8條微指令I1~I8及所包含的微命令控制信號，設計微指令操作控制字段格式，要求所使用的控制位最少，而且保持微指令本身內(nèi)在的并行性。微指令所含的微命令I1I2I3I4I5I6I7I8abcdeadfgbhccegiahjcdhabh解：為使設計出的微指令操作控制字段最短，并且保持微指令本身內(nèi)在的并行性，應采用混合編碼法。首先找出互斥的微命令組，為便于分析，將微命令表重畫如下：微指令所含的微命令abcdefghijI1

I2

I3

I4

I5

I6

I7

I8

由表中微命令的分布情況可看出：a、b、c、d、e微命令的并行性太高，因此不能放在同一字段中。另外，由分析可知，在2、3、4分組的互斥組中，3個一組的微命令互斥組對控制位的壓縮作用最明顯。因此，應盡可能多的找出3個一組的互斥組?，F(xiàn)找出的互斥組有：cfj，dij，efh，fhi，bgj，ehj，efj……等等。

從中找出互不相重的互斥組有兩個：dij，efh。那么：微指令操作控制字段格式安排如下：

111122abcgdijefh順序控制字段操作控制字段各字段編碼分配如下：

a——0無操作；b——0無操作；

1a微命令；1b微命令

c——0無操作；g——0無操作；

1c微命令；1g微命令

dij——00無操作；efh——00無操作；

01d微命令；01e

10i微命令；10f

11j微命令；11h

注：每組都應為“無操作〞留一種編碼。

與采用直接控制法比較：

直接控制法：10個微命令需10位操作控制位；

本方案：10個微命令需8位操作控制位，壓縮了2位。22.設有一運算器通路如以下圖所示〔見教材423頁〕，假設操作數(shù)a和b〔均為補碼〕分別放在通用存放器R2和R3中，ALU有+、-、M〔傳送〕三種操作功能，移位器可實現(xiàn)左移、右移和直送功能。

⑴指出相容性微操作和相斥性微操作。

⑵采用字段直接編碼方式設計適合于此運算器的微指令格式。

⑶畫出計算2(a+b)→R3的微程序流程圖，試問執(zhí)行周期需用幾條微指令？

⑷按設計的微指令格式，寫出滿足⑶要求的微代碼。解：⑴相斥性微操作有：

移位器傳送類3個：R、L、V；

ALU操作類3個：+、-、M；

A選通門控制類4個：MDR→A、R1→A、R2→A、R3→A；

B選通門控制類7個：PC→B、R1→B、-R1→B、R2→B、

-R2→B、R3→B、-R3→B；

注：由于ALU的A、B兩端有可能同時需要存放器的輸出，且同一存放器的輸出可能作源操作數(shù)使用，而輸入又可能接收運算結(jié)果，因此存放器輸入輸出操作構(gòu)成不完全互斥關系，分組情況可視設計需要而定。

相容性微操作有：ALU任一操作與+1操作相容；

存放器輸入類操作相互相容；

移位器、ALU、A、B選通門、存放器五大部件的操作在部件之間相互相容。⑵采用字段直接編譯法設計微指令格式時，可按⑴中找出的互斥類分組，并考慮和所有微操作相容的微命令需單獨設組，那么微指令操作控制字段格式如下：

190

AB C D EFG HIJK

33221321111

各字段編碼分配如下：

A組〔A選通門控制〕：000——無操作；

100——MDR→A；110——R2→A；

101——R1→A；111——R3→A；

B組〔B選通門控制〕：

000——無操作；100——R2→B；

001——PC→B；101——-R2→B；

010——R1→B；110——R3→B；

011——-R1→B；111——-R3→B；C組〔ALU操作〕：00——無操作；10——+；

01——M；11——-；

D組〔移位器傳送〕：00——無操作；10——R；

01——V；11——L；

E組〔+1〕：0——無操作；1——+1；

F組〔存放器輸出B〕：000——無操作；100——R2out；

001——PCout；101——-R2out；

010——R1out；110——R3out

011——-R1out；111——-R3out

G組〔存放器輸出A〕：00