第五章中央处理器习题参考答案

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（指令寄存器IR）；(2)保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC)；(3)算术逻辑运算结果通常放在（通用寄存器）和（数据缓冲寄存器DR）。2．参见下图（课本P166图5.15）的数据通路。画出存数指令STAR1，(R2)的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1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：STAR1，(R2)指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：3．参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令LDA（R3），RO的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。5．如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲T1=200ns,T2=400ns,T3=200ns,试画出时序产生器逻辑图。解：节拍脉冲T1，T2，T3的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1=T3=200ns，T2=400ns，所以主脉冲源的频率应为f=1/T1=5MHZ。为了消除节拍脉冲上的毛刺，环型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。根据关系，节拍脉冲T1，T2，T3的逻辑表达式如下：T1=C1·，T2=，T3=6．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：微指令条数为：（4-1）×80+1=241条取控存容量为：256×32位=1KB7.某ALU器件使用模式控制码M，S3，S2，S1，C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，F为0或1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，S1，C的逻辑表达式。解：M=GS3=H+D+FS2=1C=H+D+(E+F)y8．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为8位，请安排微指令的控制字段格式。解：经分析，（e,f,h）和（b,i,j）可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码，可得六个微命令信号，剩下的a,c,d,g四个微命令信号可进行直接控制，其整个控制字段组成如下：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，并标明数据流向。（2）画出“ADDR1，（R2）”指令的指令周期流程图，指令功能是（R1）+（（R2））→R1。解：（1）各功能部件联结成如图所示数据通路：ALU+1（2）此指令为RS型指令，一个操作数在R1中，另一个操作数在R2为地址的内存单元中，相加结果放在R1中。送当前指令地址到MAR取当前指令到IR，PC+1，为取下条指令做好准备①②③移位器DCPCIRR3R2R1R0MARMMBR（PC）→MARM→MBR→IR，（PC）+1（R1）→C（R2）→MARM→MBR→D译码④图B6.5(说明)：①：取R1操作数→C暂存器。②：送地址到MAR。③：取出内存单元中的操作数→D暂存器。④：相加后将和数→R1。11.已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512×48(位)。微程序可在整个控制存储器中实现转移，可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）微指令中的三个字段分别应为多少位？（2）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解：（l）假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段为4位；又因为控存容量为512单元，所以下地址字段为9位，。微命令字段则是：（48－4－9）=35位。（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下图所示。其中微地址寄存器对应下地址字，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令字段，后两部分组成微指令寄存器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志（某一位为1），其输出用于控制修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移（此例微指令的后继地址采用断定方式）。12．今有4级流水线分别完成取值、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，那么第二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？解：（C）+（D）→R1(1)流水线的操作时钟周期t应按四步操作中最长时间来考虑,所以t=100ns；(2)两条指令发生数据相关冲突情况：:ADDR1,R2,R3;R2+R3→R1SUBR4,R1,R5;R1-R5→R4两条指令在流水线中执行情况如下表所示:ADD指令在时钟4时才将结果写入寄存器R1中,但SUB指令在时钟3时就需读寄存器R1了，显然发生数据相关，不能读到所需数据，只能等待。如果硬件上不采取措施,第2条指令SUB至少应推迟2个操作时钟周期，即t=2×100ns=200ns；(3)如果硬件上加以改进(采取旁路技术),这样只需推迟1个操作时钟周期就能得到所需数据，即t=100ns。15．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。解：衡量并行处理器性能的一个有效参数是数据带宽（最大吞吐量），它定义为单位时间内可以产生的最大运算结果个数。设P1是有总延时T1的非流水处理器，故其带宽为1/T1。又设Pm是相当于P1m段流水处理器延迟时间Tr，故Pm的带宽为1/（Tc+Tr）。如果Pm是将P1划分成相同延迟的若干段形成的，则T1≈mTc因此P1的带宽接近于1/mTc，由此可见，当mTcTc+Tr满足时，Pm比P1具有更大的带宽。16.流水线中有三类数据相关冲突：写后读（RAW）相关；读后写（WAR）相关；写后写（WAW）相关。判断以下三组指令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，R1；（R2）+（R1）→R2(2)I3ADDR3，R4；（R3）+（R4）→R3I4MULR4，R5；（R4）×（R5）→R4(3)I5LADR6，B；M（B）→R6，M（B）是存储器单元I6MULR6，R7；（R6）×（R7）→R6解：（1）写后读（RAW）相关；（2）读后写（WAR）相关，但不会引起相关冲突；（3）写后读（RAW）相关、写后写（WAW）相关17．参考教科书图5.42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,R1;(R2)－(R1)→R2I3MULR3,R4;(R3)×(R4)→R3I4ADDR4,R5;(R4)＋(R5)→R4I5LADR6,A;M(A)→R6,M(A)是存储器单元I6ADDR6,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）(2)