第二至第五章作业答案

微处理器系统结构与嵌入式系统设计作业答案第三章3.5指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能？•指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合，其决定了一台计算机硬件主要性能和基本功能。指令系统一般都包括以下几大类指令（1）数据传送类指令。（2）运算类指令包括算术运算指令和逻辑运算指令。（3）程序控制类指令主要用于控制程序的流向。（4）输入/输出类指令简称I/O指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息。•因而，其设计会影响到计算机系统如下性能:数据传送、算术运算和逻辑运算、程序控制、输入/输出。另外，其还会影响到运算速度以及兼容等。•3.9某时钟速率为2.5GHz的流水式处理器执行一个有150万条指令的程序。流水线有5段，并以每时钟周期1条的速率发射指令。不考虑分支指令和乱序执行带来的性能损失。a)同样执行这个程序，该处理器比非流水式处理器可能加速多少？b)此流水式处理器是吞吐量是多少（以MIPS为单位）？•解：（a.）••速度几乎是非流水线结构的5倍。•（b.）=51pTnmSTmn串流水2500MIPSpnTT流水•3.10一个时钟频率为2.5GHz的非流水式处理器，其平均CPI是4。此处理器的升级版本引入了5级流水。然而，由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟，使新版处理器的时钟频率必须降低到2GHz。•(1)对一典型程序，新版所实现的加速比是多少？•(2)新、旧两版处理器的MIPS各是多少？•解：（1）对于一个有N条指令的程序来说：•非流水式处理器的总执行时间•5级流水处理器的总执行时间sNNT990106.1)105.2/()4(sNNT99110)4(2)102/()15(加速比=N很大时加速比≈3.2•（2）非流水式处理器CPI=4，则•其执行速度=2500MHz/4=625MIPS。•5级流水处理器CPI=1，则•其执行速度=2000MHz/1=2000MIPS。42.310NNTT3.11随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么？详细说明各部件的作用。•随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关，通过针对特定指令集进行硬件的优化设计来得到逻辑门最小化的处理器，以此减小电路规模并降低制造费用。•主要部件包括：产生程序地址的程序计数器，存储指令的指令寄存器，解释指令的控制逻辑，存放数据的通用寄存器堆，以及执行指令的ALU等几个主要部分构成。3.13什么是微代码体系结构？微指令的作用是什么？•在微码结构中，控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统。控制信号存放在一个微程序内存中，指令执行过程中的每一个时钟周期，处理器从微程序内存中读取一个控制字作为指令执行的控制信号并输出。•微指令只实现必要的基本操作，可以直接被硬件执行。通过编写由微指令构成的微代码，可以实现复杂的指令功能。微指令使处理器硬件设计与指令集设计相分离，有助于指令集的修改与升级，并有助于实现复杂的指令。3.14微码体系结构与随机逻辑体系结构有什么区别？•（1）指令集的改变导致不同的硬件设计开销。•在设计随机逻辑结构时，指令集和硬件必须同步设计和优化，因此设计随机逻辑的结构比设计微码结构复杂得多，而且硬件和指令集二者中任意一个变化，就会导致另外一个变化。•在微码结构中，指令设计通过为微码ROM编写微码程序来实现的，指令集的设计并不直接影响现有的硬件设计。因此，一旦修改了指令集，并不需要重新设计新的硬件。•（2）从性能上比较•随机逻辑在指令集和硬件设计上都进行了优化，因此在二者采用相同指令集时随机逻辑结构要更快一些。但微码结构可以实现更复杂指令集，因此可以用较少的指令完成复杂的功能，尤其在存储器速度受限时，微码结构性能更优。微处理器系统结构与嵌入式系统设计作业答案第五章•5.10用16K×1位的DRAM芯片组成64K×8位存储器，要求：•(1)画出该存储器的组成逻辑框图。•(2)设存储器读/写周期为0.5μS,CPU在1μS内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少？•（1）组建存储器共需DRAM芯片数N=（64K*8）/（16K*1）=4*8（片）。•每8片组成16K×8位的存储区，A13~A0作为片内地址，用A15、A14经2:4译码器产生片选信号，逻辑框图如下（图有误：应该每组8片，每片数据线为1根）•（2）设16K×8位存储芯片的阵列结构为128行×128列，刷新周期为2ms。因为刷新每行需0.5μS，则两次（行）刷新的最大时间间隔应小于：•为保证在每个1μS内都留出0.5μS给CPU访问内存，因此该DRAM适合采用分散式或异步式刷新方式，而不能采用集中式刷新方式。•若采用分散刷新方式，则每个存储器读/写周期可视为1μS，前0.5μS用于读写，后0.5μS用于刷新。相当于每1μS刷新一行，刷完一遍需要128×1μS＝128μS，满足刷新周期小于2ms的要求；•若采用异步刷新方式，则应保证两次刷新的时间间隔小于15.5μS。如每隔14个读写周期刷新一行，相当于每15μS刷新一行，刷完一遍需要128×15μS＝1920μS，满足刷新周期小于2ms的要求；•5.11若某系统有24条地址线，字长为8位，其最大寻址空间为多少？现用SRAM2114(1K*4)存储芯片组成存储系统，试问采用线选译码时需要多少个2114存储芯片？•该存储器的存储容量=224*8bit=16M字节•需要SRAM2114(1K*4)存储芯片数目：1681602/32014MK组片组•5.12在有16根地址总线的机系统中画出下列情况下存储器的地址译码和连接图。•（1）采用8K*1位存储芯片，形成64KB存储器。•（2）采用8K*1位存储芯片，形成32KB存储器。•（3）采用4K*1位存储芯片，形成16KB存储器。•由于地址总线长度为16，故系统寻址空间为（1）8K*1位存储芯片地址长度为13，64KB存储器需要8个8K*1位存储芯片，故总共需要16根地址总线，地址译码为：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0共需8片8K*1位存储芯片红色为片选第一片地址范围0000H~1FFFH00000000000000000001111111111111第二片地址范围2000H~3FFFH00100000000000000011111111111111第三片地址范围4000H~5FFFH01000000000000000101111111111111第四片地址范围6000H~7FFFH01100000000000000111111111111111第五片地址范围8000H~9FFFH10000000000000001001111111111111第六片地址范围0A000H~0BFFFH10100000000000001011111111111111第七片地址范围0C000H~0DFFFH11000000000000001101111111111111第八片地址范围0E000H~0FFFFH11100000000000001111111111111111其连线图如下：74LS138CSENABCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78K*1位存储芯片ABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSD数据总线DA0~A128721...A15A14A13A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0共需4片8K*1位存储芯片红色为片选第一片地址范围0000H~1FFFH00000000000000000001111111111111第二片地址范围2000H~3FFFH00100000000000000011111111111111第三片地址范围4000H~5FFFH01000000000000000101111111111111第四片地址范围6000H~7FFFH01100000000000000111111111111111（2）8K*1位存储芯片地址长度为13，32KB存储器需要4个8K*1位存储芯片故总共需要15根地址总线，地址译码为：其连线图如下：74LS138CSENABCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78K*1位存储芯片ABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSD数据总线DA0~A124321A15A14A13（3）4K*1位存储芯片地址长度为12，16KB存储器需要4个4K*1位存储芯片故总共需要14根地址总线，地址译码为：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0共需4片4K*1位存储芯片红色为片选第一片地址范围0000H~0FFFH00000000000000000000111111111111第二片地址范围1000H~1FFFH00010000000000000001111111111111第三片地址范围2000H~2FFFH00100000000000000010111111111111第四片地址范围3000H~3FFFH00110000000000000011111111111111其连线图如下：方案一：74LS138CSENABCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q74K*1位存储芯片ABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSD数据总线DA0~A114321A15A14A13A12方案二：74LS138CSENABCQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q78K*1位存储芯片ABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSDABRDWRCSD数据总线DA0~A114321A15A14A13A12A12•5.13试为某8位计算机系统设计一个具有8KBROM和40KBRAM的存储器。要求ROM用EPROM芯片2732组成，从0000H地址开始；RAM用SRAM芯片6264组成，从4000H地址开始。•查阅资料可知，2732容量为4K×8(字选线12根)，6264容量为8K×8(字选线13根)，因此本系统中所需芯片数目及各芯片地址范围应如下表所示：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1共需2片2732构成系统ROM红色为片选第一片地址范围0000H~0FFFH000000000000000000011111111111第二片地址范围1000H~1FFFH000100000000000000111111111111共需5片6264构成系统RAM红色为片选第一片地址范围4000H~5FFFH010000000000000010111111111111第二片地址范围6000H~7FFFH011000000000000011111111111111第三片地址范围8000H~9FFFH100000000000000100111111111111第四片地址范围0A000H~0BFFFH101000000000000101111111111111第五片地址范围0C000H~0DFFFFH110000000000000110111111111111硬件连线方式之一如下图所示：说明：•①8位微机系统地址线一般为16位。采用全译码方式时，系统的A0～A12直接与6264的13根地址线相连，系统的A0～A11直接与2732的12根地址线相连。片选信号由74LS138译码器产生，系统的A15～A13作为译码器的输入。•②各芯片的数据总线（D0~D7）直接与系统的数据总线相连。•③各芯片的控制信号线（RD、WR）直接与系统的控制信号线相连。5.14试根据下图EPROM的接口特性，设计一个EPROM写入编程电路，并给出控制软件的流程。+12V07~OO013~AACEPGMOEVCCVPPGND高位地址译码编程控制信号07~DD07~AARD+5VEPROM写入编程电路设计如下图所示：+12V07~OO013~AACEPGMOEVCCVPPGND高位地址译码编程控