计算机组成原理蒋本珊第六章讲解.docx

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计算机组成原理蒋本珊第六章讲解

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＝４MHz

７．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→MDR

MDR→IR，PC＋１→PC

A→MAR，READ；取数据送Acc

MM→MDR

MDR→Acc

（２）ISZ（加“１”为零跳）指令

取指令微操作略。

A→MAR，READ；取数据送Acc

MM→MDR

MDR→Acc

Acc＋１→Acc；加１

IfZ＝１thenPC＋１→PC；结果为０，PC＋１

Acc→MDR，WRITE；保存结果

MDR→MM

Acc－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Acc

MM→MDR

MDR→Acc

Acc－１→Acc；减１

IfZ＝１thenPC＋１→PC；结果为０，PC＋１

Acc→MDR，WRITE；保存结果

MDR→MM

Acc＋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，WRITE

MDR→MM

１２．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＝B

F＝A＋１；F＝B＋１

F＝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→PC

③MDR→B，F＝B，F→IR

④PC→B，F＝B，F→MAR，Read；取指令的第二个字

⑤PC→B，F＝B＋１，F→PC

⑥MDR→B，F＝B，F→Y

⑦SP→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，Write

⑨Y→A，F＝A，F→PC；子程序的首地址→PC

⑩End

１３．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

②Read

③M（MAR）→MDR→IR

④（PC）＋１→PC

⑤（R１）→MAR；取被加数

⑥Read

⑦M（MAR）→MDR→C

⑧（R２）→MAR；取加数

⑨Read

⑩M（MAR）→MDR→D

（R２）＋１→R２；修改目的地址

（C）＋（D）→MDR；求和并保存结果

Write

MDR→MM

１４．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→MM

１５．什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　微程序流程的微地址安排

（３）微程序控制器的简化框图略。

１９．已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量５１２×４８位，微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制转移的条件共４个，微指令采用水平型格式，后继指令地址采用断定方式，微指令格式如图６-２９所示。

（１）微指令中的３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：

（１）因为控制转移的条件共４个，则判别测试字段为２位；因为控存容量为５１２个单元，所以下地址字段为９位；微命令字段是（４８－２－９）＝３７位。

（２）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图６-３０。

２０．某机有８条微指令I１～I８，每条微指令所含的微命令控制信号如表６-４所列。

图６唱３０　微程序控制器逻辑框图

　a～j分别代表１０种不同性质的微命令信号，假设一条微指令的操作控制字段为８

位，请安排微指令的操作控制字段格式，并将全部微指令代码化。

解：

因为微指令的操作控制字段只有８位，所以不能采用直接控制法。

又因为微指令中有多个微命令是兼容性的微命令，如微指令I１中的微命令a～e，故也不能采用最短编码法。

最终选用字段编码法和直接控制法相结合的方法。

将互斥的微命令安排在同一段内，兼容的微命令安排在不同的段内。

b、i、j这３个微命令是互斥的微命令，把它们安排在一个段内，e、f、h这３个微命令也是互斥的，把它们也安排在另一个段内。

此微指令的操作控制字段格式如图６-３１所示。

其中：

字段１的译码器输出对应的微命令为

００　无

０１　b

１０　i

１１　j

字段２的译码器输出对应的微命令为

００　无

０１　e

１０　f

１１　h

将全部８条微指令代码化可以得到

I１：

　１１１００１０１

I２：

　１０１１００１０

I３：

　０００００１１１

I４：

　０１００００００

I５：

　０１０１１００１

I６：

　１０００１１１１

I７：

　０１１０００１１

I８：

　１００００１１１

２１．在微程序控制器中，微程序计数器μPC可以用具有加“１”功能的微地址寄存器

μMAR来代替，试问程序计数器PC是否可以用具有加“１”功能的存储器地址寄存器

MAR代替？

解：

在微程序控制器中不可以用MAR来代替PC。

因为控存中只有微指令，为了降低成本，可以用具有计数功能的微地址寄存器（μMAR）来代替μPC。

而主存中既有指令又有数据，它们都以二进制代码形式出现，取指令和数据时地址的来源是不同的。

取指令：

（PC）→MAR

取数据：

地址形成部件→MAR

所以不能用MAR代替PC。