组成原理经典习题

什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系?指令周期是CPU取出并执行一条指令所需的全部时间，即完成一条指令的时间。机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的时钟周期数也可以不等。例9.1设CPU内部采用非总线结构，如图9.1所示。（1）写出取指周期的全部微操作。（2）写出取数指令“LDAM”，存数指令“STAM”，加法指令“ADDM”（M均为主存地址）在执行阶段所需的全部微操作。（3）当上述指令均为间接寻址时，写出执行这些指令所需的全部微操作。（4）写出无条件转移指令“JMPY”和结果为零则转指令“BAZY”在执行阶段所需的全部微操作。取指周期的全部微操作如下：PC→MAR；现行指令地址→MAR1→R；命令存储器读M(MAR)→MDR；现行指令从存储器中读至MDRMDR→IR；现行指令→IROP(IR)→CU；指令的操作码→CU译码(PC)+1→PC；形成下一条指令的地址取数指令“LDAM”执行阶段所需的全部微操作如下：Ad(IR)→MAR；指令的地址码字段→MAR1→R；命令存储器读M(MAR)→MDR；操作数从存储器中读至MDRMDR→ACC；操作数→ACC存数指令“STAM”执行阶段所需的全部微操作如下：Ad(IR)→MAR；指令的地址码字段→MAR1→W；命令存储器写ACC→MDR；欲写入的数据→MDRMDR→M(MAR)；数据写至存储器中加法指令“ADDM”执行阶段所需的全部微操作如下：Ad(IR)→MAR；指令的地址码字段→MAR1→R；命令存储器读M(MAR)→MDR；操作数从存储器中读至MDR(ACC)+(MDR)→ACC；两数相加结果送ACC当为间接寻址时，需增加间址周期的微操作。Ad(IR)→MAR；指令的地址码字段→MAR1→R；命令存储器读M(MAR)→MDR；有效地址从存储器中读至MDR例9.2已知单总线计算机结构如图9.2所示，其中M为主存，XR为变址寄存器，EAR为有效地址寄存器，LATCH为暂存器。图中各寄存器的输入和输出均受控制信号控制，如PCi表示PC的输入控制信号，又如MDRo表示MDR的输出控制信号。假设指令地址已存于PC中，画出“ADDX，D”（X为变址寄存器XR，D为形式地址）和“STA*D”（*表示相对寻址，D为相对位移量）两条指令的指令周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。“ADDX，D”指令取指周期和执行周期的信息流程及相应的控制信号，如图9.3所示，图中Ad(IR)为形式地址。“STA*D”指令取指周期和执行周期的信息流程及相应的控制信号如图9.4所示，图中Ad(IR)为相对位移量的机器代码。某计算机的CPU内部结构如图所示。两组总线之间的所有数据传送通过ALU。ALU还具有完成如下功能的能力。F＝A；F＝BF＝A＋1；F＝B＋1F＝A－1；F＝B－1F•IR是的英文缩写；•MDR是的英文缩写；•MAR是的英文缩写；•PC是的英文缩写；•SP是的英文缩写；•ALU是的英文缩写；?简述PC的功能。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。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→PC⑩End其中：LA——A选择输入器(4in_1out)LB——B选择输入器(4in_1out)C、D——暂存器写出指令ADD(R1)，(R2)+的执行过程（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。⑴(PC)→MAR⑵Read⑶M(MAR)→MDR→IR⑷(PC)+1→PC⑸(R1)→MAR⑹Read⑺M(MAR)→MDR→C⑻(R2)→MAR⑼Read⑽M(MAR)→MDR→D⑾(R2)+1→R2⑿(C)+(D)→MDR⒀Write⒁MDR→MM例9.3设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令的指令周期平均有2.5个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机器周期平均含4个时钟周期，每条指令的指令周期平均有5个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由此可得出什么结论？解：根据主频为8MHz，得时钟周期为1/8=0.125μs，机器周期为0.125×2=0.25μs，指令周期为0.25×2.5=0.625μs。（1）平均指令执行速度为1/0.625=1.6MIPS。（2）若机器主频不变，机器周期含4个时钟周期，每条指令平均含5个机器周期，则指令周期为0.125×4×5=2.5μs，故平均指令执行速度为1/2.5=0.4MIPS。（3）可见机器的速度并不完全取决于主频。设CPU内部采用总线连接方式，如图所示。（1）写出完成“LDAX”，“STAX”，“ADDX”（X均为主存地址）3条指令所需的全部微操作，并指出哪些控制信号有效。（2）当上述3条指令均为间接寻址时，写出完成这些指令所需的全部微操作命令，并指出那些控制信号有效。