计算机组成原理(蒋本珊)第六章

第六章１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。（３）指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间的数据流动。控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。中央处理器由运算器和控制器组成。５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。解：CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器，如程序计数器PC、指令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR、状态标志寄存器PSWR等。６．某机CPU芯片的主振频率为８MHz，其时钟周期是多少μs？若已知每个机器周期平均包含４个时钟周期，该机的平均指令执行速度为０．８MIPS，试问：（１）平均指令周期是多少μs？（２）平均每个指令周期含有多少个机器周期？（３）若改用时钟周期为０．４μs的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度又是多少MIPS？（４）若要得到４０万次／s的指令执行速度，则应采用主振频率为多少MHz的CPU芯片？解：时钟周期＝１÷８MHz＝０．１２５μs（１）平均指令周期＝１÷０．８MIPS＝１．２５μs（２）机器周期＝０．１２５μs×４＝０．５μs平均每个指令周期的机器周期数＝１．２５μs÷０．５μs÷４＝２．５（４）主振频率＝４MHz７．以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周期中的作用。（１）程序计数器PC；（２）指令寄存器IR；（３）算术逻辑运算部件ALU；（４）存储器数据寄存器MDR；（５）存储器地址寄存器MAR。解：（１）程序计数器PC：存放指令地址；（２）指令寄存器IR：存放当前指令；（３）算术逻辑运算部件ALU：进行算逻运算；（４）存储器数据寄存器MDR：存放写入或读出的数据／指令；（５）存储器地址寄存器MAR：存放写入或读出的数据／指令的地址。以单地址指令“加１（INCA）”为例，该指令分为３个周期：取指周期、分析取数周期、执行周期。３个周期完成的操作如表６-２所示。８．什么是指令周期？什么是CPU周期？它们之间有什么关系？解：指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。CPU周期（机器周期）是完成一个基本操作的时间。一个指令周期划分为若干个CPU周期。９．指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？解：指令和数据都存放在主存，它们都以二进制代码形式出现，区分的方法为：（１）取指令或数据时所处的机器周期不同：取指周期取出的是指令；分析取数或执行周期取出的是数据。（２）取指令或数据时地址的来源不同：指令地址来源于程序计数器；数据地址来源于地址形成部件。１０．CPU中指令寄存器是否可以不要？指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器MDR中的信息译码？为什么？请以无条件转移指令JMPA为例说明。解：指令寄存器不可以不要。指令译码器不能直接对MDR中的信息译码，因为在取指周期MDR的内容是指令，而在取数周期MDR的内容是操作数。以JMPA指令为例，假设指令占两个字，第一个字为操作码，第二个字为转移地址，它们从主存中取出时都需要经过MDR，其中只有第一个字需要送至指令寄存器，并且进行指令的译码，而第二个字不需要送指令寄存器。１１．设一地址指令格式如下：＠OPA现在有４条一地址指令：LOAD（取数）、ISZ（加“１”为零跳）、DSZ（减“１”为零跳）、STORE（存数），在一台单总线单累加器结构的机器上运行，试排出这４条指令的微操作序列。要求：当排ISZ和DSZ指令时不要破坏累加寄存器Acc原来的内容。解：（１）LOAD（取数）指令PC→MAR，READ；取指令MM→MDRMDR→IR，PC＋１→PCA→MAR，READ；取数据送AccMM→MDRMDR→Acc（２）ISZ（加“１”为零跳）指令取指令微操作略。A→MAR，READ；取数据送AccMM→MDRMDR→AccAcc＋１→Acc；加１IfZ＝１thenPC＋１→PC；结果为０，PC＋１Acc→MDR，WRITE；保存结果MDR→MMAcc－１→Acc；恢复Acc（３）DSZ（减“１”为零跳）指令取指令微操作略。A→MAR，READ；取数据送AccMM→MDRMDR→AccAcc－１→Acc；减１IfZ＝１thenPC＋１→PC；结果为０，PC＋１Acc→MDR，WRITE；保存结果MDR→MMAcc＋１→Acc；恢复Acc（４）STORE（存数）指令：取指令微操作略。A→MAR；Acc中的数据写入主存单元Acc→MDR，WRITEMDR→MM１２．某计算机的CPU内部结构如图６唱２２所示。两组总线之间的所有数据传送通过ALU。ALU还具有完成以下功能的能力：F＝A；F＝BF＝A＋１；F＝B＋１F＝A－１；F＝B－１写出转子指令（JSR）的取指和执行周期的微操作序列。JSR指令占两个字，第一个字是操作码，第二个字是子程序的入口地址。返回地址保存在存储器堆栈中，堆栈指示器始终指向栈顶。解：①PC→B，F＝B，F→MAR，Read；取指令的第一个字②PC→B，F＝B＋１，F→PC③MDR→B，F＝B，F→IR④PC→B，F＝B，F→MAR，Read；取指令的第二个字⑤PC→B，F＝B＋１，F→PC⑥MDR→B，F＝B，F→Y⑦SP→B，F＝B－１，F→SP，F→MAR；修改栈指针，返回地址压入堆栈⑧PC→B，F＝B，F→MDR，Write⑨Y→A，F＝A，F→PC；子程序的首地址→PC⑩End１３．某机主要部件如图６-２３所示。（１）请补充各部件间的主要连接线，并注明数据流动方向。（２）拟出指令ADD（R１），（R２）＋的执行流程（含取指过程与确定后继指令地址）。该指令的含义是进行加法操作，源操作数地址和目的操作数地址分别在寄存器R１和R２中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。解：（１）将各部件间的主要连接线补充完后如图６-２４所示。（２）指令ADD（R１），（R２）＋的含义为（（R１））＋（（R２））→（R２）（R２）＋１→R２指令的执行流程如下：①（PC）→MAR；取指令②Read③M（MAR）→MDR→IR④（PC）＋１→PC⑤（R１）→MAR；取被加数⑥Read⑦M（MAR）→MDR→C⑧（R２）→MAR；取加数⑨Read⑩M（MAR）→MDR→D（R２）＋１→R２；修改目的地址（C）＋（D）→MDR；求和并保存结果WriteMDR→MM１４．CPU结构如图６唱２５所示，其中有一个累加寄存器AC、一个状态条件寄存器和其他４个寄存器，各部件之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。（１）标明４个寄存器的名称。（２）简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。（３）简述数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。解：（１）这４个寄存器中，a为存储器数据寄存器MDR，b为指令寄存器IR，c为存储器地址寄存器MAR，d为程序计数器PC。（２）取指令的数据通路：PC→MAR→MM→MDR→IR（３）数据从主存中取出的数据通路（设数据地址为X）：X→MAR→MM→MDR→ALU→AC数据存入主存中的数据通路（设数据地址为Y）：Y→MAR，AC→MDR→MM１５．什么是微命令和微操作？什么是微指令？微程序和机器指令有何关系？微程序和程序之间有何关系？解：微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。微操作是指计算机中最基本的、不可再分解的操作。微命令和微操作是一一对应的，微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。微令是若干个微命令的集合。微程序是机器指令的实时解释器，每一条机器指令都对应一个微程序。微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微指令组成的，用于描述机器指令，实际上是机器指令的实时解释器，微程序是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的，一般不提供给用户；程序是由机器指令组成的，由程序员事先编制好并存放在主存储器中。１６．什么是垂直型微指令？什么是水平型微指令？它们各有什么特点？又有什么区别？解：垂直型微指令是指一次只能执行一个微命令的微指令；水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。垂直型微指令的并行操作能力差，一般只能实现一个微操作，控制１～２个信息传送通路，效率低，执行一条机器指令所需的微指令数目多，执行时间长；但是微指令与机器指令很相似，所以容易掌握和利用，编程比较简单，不必过多地了解数据通路的细节，且微指令字较短。水平型微指令的并行操作能力强，效率高，灵活性强，执行一条机器指令所需微指令的数目少，执行时间短；但微指令字较长，增加了控存的横向容量，同时微指令和机器指令的差别很大，设计者只有熟悉了数据通路，才有可能编制出理想的微程序，一般用户不易掌握。１７．水平型和垂直型微程序设计之间各有什么区别？串行微程序设计和并行微程序设计有什么区别？解：水平型微程序设计是面对微处理器内部逻辑控制的描述，所以把这种微程序设计方法称为硬方法；垂直型微程序设计是面向算法的描述，所以把这种微程序设计方法称为软方法。在串行微程序设计中，取微指令和执行微指令是顺序进行的，在一条微指令取出并执行之后，才能取下一条微指令；在并行微程序设计中，将取微指令和执行微指令的操作重叠起来，从而缩短微周期。１８．图６唱２６给出了某微程序控制计算机的部分微指令序列。图中每一框代表一条微指令。分支点a由指令寄存器IR的第５、６两位决定。分支点b由条件码C０决定。现采用下址字段实现该序列的顺序控制。已知微指令地址寄存器字长８位。（１）设计实现该微指令序列的微指令字之顺序控制字段格式。（２）给出每条微指令的二进制编码地址。（３）画出微程序控制器的简化框图。解：（１）该微程序流程有两处有分支的地方，第一处有４路分支，由指令操作码IR５IR６指向４条不同的微指令，第二处有２路分支，根据运算结果C０的值决定后继微地址。加上顺序控制，转移控制字段取２位。图６唱２６中共有１５条微指令，则下址字段至少需要４位，但因已知微指令地址寄存器字长８位（μMAR７～μMAR０），故下址字段取８位。微指令的顺序控制字段格式如图６-２７所示。（２）转移控制字段２位：００顺序控制０１由IR５IR６控制修改μMAR４，μMAR３。１０由C０控制修改μMAR５。微程序流程的微地址安排如图６-２８所示。每条微指令的二进制编码地址见表６-３。注：每条微指令前的微地址用十六进制表示。图６-２８微程序流程的微