计算机组成原理第五章答案

第5章习题参考答案1第5章习题参考答案1．请在括号内填入适当答案。在CPU中：(1)保存当前正在执行的指令的寄存器是（IR）；(2)保存当前正在执行的指令地址的寄存器是（AR）(3)算术逻辑运算结果通常放在（DR）和（通用寄存器）。2．参见图5.15的数据通路。画出存数指令“STORl，(R2)”的指令周期流程图，其含义是将寄存器Rl的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。解：STOR1,(R2)的指令流程图及微操作信号序列如下：第5章习题参考答案2(PC)→AR(DR)→IR(M)→DRPCO,G,ARiR/W=RDRO,G,IRi(R2)→ARR2O,G,ARi(R1)→DRR1O,G,DRi(DR)→MR/W=WSTOR1,(R2)~3．参见图5.15的数据通路，画出取数指令“LAD(R3)，R0”的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址主存单元的内容取至寄存器R2中，标出各微操作控制信号序列。解：LADR3,(R0)的指令流程图及为操作信号序列如下：第5章习题参考答案3(PC)→AR(DR)→IR(M)→DRPCO,G,ARiR/W=RDRO,G,IRi(R3)→ARR3O,G,ARi(M)→DRDRO,G,R0i(DR)→R0R/W=RLAD(R3),R0~4．假设主脉冲源频率为10MHz，要求产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图。解：第5章习题参考答案45．如果在一个CPU周期中要产生3个节拍脉冲；Tl＝200ns，T2=400ns，T3=200ns，试画出时序产生器逻辑图。解：取节拍脉冲Tl、T2、T3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns，即，其频率为5MHz.；由于要输出3个节拍脉冲信号，而T3的宽度为2个时钟周期，也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期，所以除了C4外，还需要3个触发器——Cl、C2、C3；并令211CCT；321CCT；313CCT，由此可画出逻辑电路图如下：第5章习题参考答案56．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。解：80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条公用微指令，所以总微指令条数为80(4-1)+1=241条微指令，每条微指令32位，所以控存容量为：24132位7．某ALU器件是用模式控制码MS3S2S1C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，φ为0或l任选。试以指令码(A，B，H，D，E，F，G)为输入变量，写出控制参数M，S3，S2，Sl，C的逻辑表达式。指令码MS3S2S1CA,BH,DEFG0000101010111111001101yy解：由表可列如下逻辑方程M=G第5章习题参考答案6S3=H+D+FS2=A+B+D+H+E+F+GS1=A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8．某机有8条微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。a—j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限为8位，请安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghijI1I2I3I4I5I6I7I8解：因为有10种不同性质的微命令信号，如果采用直接表示法则需要10位控制字段，现控制字段仅限于8位，那么，为了压缩控制字段的长度，必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令组合在一个小组中，进行分组译码。经分析，(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同时出现的互斥信号，所以可将其通过2:4译码后输出三个微命令信号(00表示该组所有的微命令均无效)，而其余四个微命令信号用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。efhbijacdgXXXX或：efhdijabcgXXXX或：fhibgjacdeXXXX9．微地址转移逻辑表达式如下：μA8=P1·IR6·T4μA7=P1·IR5·T4μA6=P2·C·T4第5章习题参考答案7其中μA8—μA6为微地址寄存器相应位，P1和P2为判别标志，C为进位标志，IR5和IR6为指令寄存器的相应位，T4为时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义，画出微地址转移逻辑图。解：μA5=P3·IR5·T4μA4=P3·IR4·T4μA3=P1·IR3·T4μA2=P1·IR2·T4μA1=P1·IR1·T4μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4用触发器强置端(低有效)修改，前5个表达式用“与非”门实现，最后1个用“与或非”门实现μA2、μA1、μA0触发器的微地址转移逻辑图如下：（其他略）10．某计算机有如下部件，ALU，移位器，主存M，主存数据寄存器MDR，主存地址寄存器MAR，指令寄存器IR，通用寄存器R0R3，暂存器C和D。(1)请将各逻辑部件组成一个数据通路，并标明数据流动方向。(2)画出“ADDR1，R2”指令的指令周期流程图。解：(1)设该系统为单总线结构，暂存器C和D用于ALU的输入端数据暂存，移位器作为ALU输出端的缓冲器，可对ALU的运算结果进行附加操作，则数据通路可设计如下：IRPCMDRMARMR0R1R2R3D移位器CALU+第5章习题参考答案8(2)根据上面的数据通路，可画出“ADDR1，R2”(设R1为目的寄存器)的指令周期流程图如下：(PC)→MAR(M)→MDR(MDR)→IRPC+1(R1)→C(R2)→D(C)+(D)→移位器(移位器)→R1ADDR1,R2~11．已知某机采用微程序控制方式，控存容量为512*48位。微程序可在整个控存中实现转移，控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式。请问；(1)微指令的三个字段分别应为多少位?(2)画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解：(1)因为容量为512*48位，所以下址字段需用9位，控制微程序转移的条件有4个，所以判别测试字段需4位或（3位译码），因此操作控制字段的位数48-9-4=35位(或48-9-3=36位)(2)微程序控制器逻辑框图参见教材P.147图5.23第5章习题参考答案912．今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步操作的时间依次为100ns，100ns，80ns，50ns。请问；(1)流水线的操作周期应设计为多少?(2)若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么第2条指令要推迟多少时间进行?(3)如果在硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间?答：(1)流水操作周期为max(100,100,80,50)=100ns(2)若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么在第1条指令“送结果”步骤完成后，第2条指令的“取数”步骤才能开始，也就是说，第2条指令要推迟两个操作周期，即200ns才能进行。(3)如果在硬件设计上加以改进，采用定向传送的技术，则只要第1条指令完成“运算”的步骤，第2条指令就可以“取数”了，因此至少需推迟100ns。13．指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)五个过程段，共有20条指令连续输入此流水线。(1)画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns。(2)求流水线的实际吞吐率(单位时间里执行完毕的指令数)。(3)求流水线的加速比。解：(1)流水处理的空图如下，其中每个流水操作周期为100ns：空间SI1I2I15I16I17I18I19I20WBI1I2I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3I16I17I18I19I20控制存储器地址译码微地址寄存器OPP字段控制字段地址转移逻辑状态条件指令寄存器IR微命令信号微命令寄存器第5章习题参考答案10EXI1I2I3I4I17I18I19I20IDI1I2I3I4I5I18I19I20IFI1I2I3I4I5I6I19I20123456192021222324时间T(2)流水线的实际吞吐量：执行20条指令共用5+119=24个流水周期，共2400ns，所以实际吞吐率为：秒百万条指令/333.8102400209(3)流水线的加速比为：设流水线操作周期为τ，则n指令串行经过k个过程段的时间为n*k*τ；而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为(k+n-1)*τ；故20条指令经过5个过程段的加速比为：17.419552014．用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。解：设流水计算机的指令流水线分为4个过程段：IF、ID、EX、WB，则流水计算机的时空图如下：空间SI1I2I3I4I5WBI1I2I3I4I5EXI1I2I3I4I5I6IDI1I2I3I4I5I6I7IFI1I2I3I4I5I6I7I812345678时间T非流水计算机的时空图：空间SI1I2WBI1I2EXI1I2IDI1I2IFI1I212345678时间T由图中可以看出，同样的8个操作周期内，流水计算机执行完了5条指令，而非流水计算机只执行完了2条指令；由此，可看出流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。第5章习题参考答案1115．用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。证明：设流水计算机具有k级流水线，每个操作周期的时间为，执行n条指令的时间为：1nkT；吞吐率为：11nknH而非流水计算机，执行n条指令的时间为：knT；吞吐率为：knnH21121nkknnkknHH当n=1时，21HH；当n1时，21HH，即：流水计算机具有更高的吞吐率。16．判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关?(1)I1LADR1，A；M(A)→R1，M(A)是存储器单元I2ADDR2，Rl；(R2)+(R1)→R2(2)I1ADDR3，R4；(R3)+(R4)→R3I2MULR4，R5；(R4)(R5)→R4(3)I1LADR6，B；M(B)→R6，M(B)是存储器单元I2MULR6，R7；(R6)(R7)→R6解：(1)I1的运算结果应该先写入R1，然后再在I2中读取R1的内容作为操作数，所以是发生RAW(“写后读”)相关(2)WAR(3)RAW和WAW两种相关17．参考图5.39所示的超标量流水线结构模型，现有如下6条指令序列：I1LADR1，B；M(B)→R1，M(B)是存储器单元I2SUBR2，Rl；(R2)-(R1)→R2I3MULR3，R4；(R3)*(R4)→R3I4ADDR4，R5；(R4)+(R5)→R4I5LADR6，A；M(A)→R6，M(A)是存储器单元第5章习题参考答案12I6ADDR6，R7；(R6)+(R7)→R6请画出：(1)按序发射按序完成各段推进情况图。(2)按序发射按序完成的流水线时空图。解：(1)按序发射按序完成各段推进情况图如下(仍设F、D段要求成对输入；F、D、W段只需1个周期；加需要2个周期；乘需要3个周期；存/取数需要1个周期；执行部件内部有定向传送，结果生成即可使用)：取指段I1I2I3I4I5I6译码段I1I2I2I3I4I5I6I6执行段I1I2I2I4I3I5I4I3I6I3I6取/存加法器乘法器写回段I1I2I3I4I5I6(2)按序发射按序完成的流水时空图如下：1234567891011时钟I1FDEWI2FDEEWI3FDEEEWI4FDEEWI5FDEWI6FDEEW超标量流水线的时空图