【導讀】諾依曼計算機的特點是：P8. 計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部件組成；指令和數據以同同等地位存放于存儲器內，并可以按地址訪問；指令和數據均用二進制表示；指令由操作碼、地址碼兩大部分組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表。示操作數在存儲器中的位置；指令在存儲器中順序存放，通常自動順序取出執(zhí)行；機器以運算器為中心（原始馮?量、機器字長、指令字長。器和控制器不在同一芯片上，現在的CPU內除含有運算器和控制器外還集成了CACHE）?？呻S機存?。挥纱鎯w、各種邏輯部件及控制電路組成?；虼鎯υ荒軉为毚嫒?。度指標的一種計量單位。器件用量大，連線多，成本較高。

　　

【正文】 注 ： 解這道題有兩個要素，首先要根據所給部件設計好數據通路，即確定信息流動的載體。其次選擇好描述數據流的方法，無論 采用什么樣的表達方式，其關鍵都要能清楚地反映數據在通路上流動的順序，即強調一個 “ 流 ” 字。較好的表達方式是流程圖的形式。 5. 中斷周期前是什么階段？中斷周期后又是什么階段？在中斷周期 CPU 應完成什么操作？ 答：中斷周期前是執(zhí)行周期，中斷周期后是取指周期。在中斷周期， CPU 應完成保存斷點、將中斷向量送 PC 和關中斷等工作。 7. 什么叫系統(tǒng)的并行性？粗粒度并行和細粒度并行有何區(qū)別？ 答： 所謂并行性包含同時性和并發(fā)性。同時性是指兩個或兩個以上的事件在同一時刻發(fā)生，并發(fā)性是指兩個或多個事件在同一時間段發(fā)生。即在 同一時刻或同一時間段內完成兩個或兩個以上性質相同或性質不同的功能，只要在時間上存在相互重疊，就存在并行性。 并行性又分為粗粒度并行和細粒度并行兩類。粗粒度并行是指在多個處理機上分別運行多個進程，由多臺處理機合作完成一個程序，一般用算法實現。細粒度并行是指在處理機的 指令級和操作級的并行性。 8. 什么是指令流水？畫出指令二級流水和四級流水的示意圖，它們中哪個更能提高處理機速度，為什么？ 答：指令流水是指將一條指令的執(zhí)行過程分為 n 個操作時間大致相等的階段，每個階段由一個獨立的功能部件來完成，這樣 n 個部件就可以 同時執(zhí)行 n 條指令的不同階段，從而大大提高 CPU 的吞吐率。 指令二級流水和四級流水示意圖如下： I F ， I D E X ， W RI F ， I D E X ， W RI F ， I D E X ， W R二 級 指 令 流 水 示 意 圖 四 級 指 令 流 水 示 意 圖I F I D E X W RI F I D E X W RE X W RI F I D 四級流水更能提高處理機的速度。分析如下： 假設 IF、 ID、 EX、 WR 每個階段耗時為 t，則連續(xù)執(zhí)行 n 條指令 采用二級流水線時，耗時為： 4t+(n1)2t=(2n+2)t 采用四級流水線時，耗時為： 4t+(n1)t=(n+3)t 在 n1 時， n+32n+2， 可見四級流水線耗時比二級流水線耗時短，因此 更能提高處理機速度。 17. 在中 斷系統(tǒng)中 INTR、 INT、 EINT 三個觸發(fā)器各有何作用？ 解： INTR—— 中斷請求觸發(fā)器，用來登記中斷源發(fā)出的隨機性中斷請求信號，以便為 CPU查詢中斷及中斷排隊判優(yōu)線路提供穩(wěn)定的中斷請求信號 。 EINT—— 中斷允許觸發(fā)器， CPU 中的中斷總開關。當 EINT=1 時，表示允許中斷（開中斷），當 EINT=0 時，表示禁止中斷（關中斷）。其狀態(tài)可由開、關中斷等指令設置 。 INT—— 中斷標記觸發(fā)器，控制器時序系統(tǒng)中周期狀態(tài)分配電路的一部分，表示中斷周期標記。當 INT=1 時，進入中斷周期，執(zhí)行中斷隱指令的操作。 24. 現有 A、 B、 C、 D 四個中斷源，其優(yōu)先級由高向低按 A、 B、 C、 D 順序排列。若中斷服務程序的執(zhí)行時間為 20181。s，請根據下圖所示時間軸給出的中斷源請求中斷的時刻，畫出 CPU執(zhí)行程序的軌跡。 解： A、 B、 C、 D 的響優(yōu)先級即處理優(yōu)先級。 CPU 執(zhí)行程序的軌跡圖如下： 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 1 0 1 2 0 1 3 0 1 4 0 t / u sB 與 C 請 求B 請 求D 請 求C 服 務B 服 務A 服 務程 序D 服 務A 請 求B 服 務C 服 務D 服 務A 服 務B 服 務B 服 務 25. 某機有五個中斷源 L0、 L L L L4，按中斷響應的優(yōu)先次序由高向低排序為 L0? L1?L2?L3?L4，根據下示格式， 現要求中斷處理次序改為 L1?L4?L2?L0?L3，根據下面 的格式，寫出各中斷源的屏蔽字。 解：各中斷源屏蔽狀態(tài)見下表 ： 中斷源 屏蔽字 0 1 2 3 4 I0 1 0 0 1 0 I1 1 1 1 1 1 I2 1 0 1 1 0 I3 0 0 0 1 0 I4 1 0 1 1 1 表中：設屏蔽位 =1，表示屏蔽；屏蔽位 =0，表示中斷開放。 26. 設某機配有 A、 B、 C 三臺設備，其優(yōu)先順序 按 A?B?C 降序排列，為改變中斷處理次序，它們的中斷 屏蔽字 設置如下： 設備 屏蔽字 A 111 B 010 C 011 請按下圖所示時間軸給出的設 備請求中斷的時刻，畫出 CPU 執(zhí)行程序的軌跡。設 A、 B、C 中斷服務程序的執(zhí)行時間均為 20? s。 解： A、 B、 C 設備的響應優(yōu)先級為 A 最高、 B 次之、 C 最低，處理優(yōu)先級為 A 最高、 C 次之、B 最低。 CPU 執(zhí)行程序的軌跡圖如下： 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 t / u sA 請 求 C 請 求B 請 求C 服 務B 服 務A 服 務程 序 第 九 章 2. 控制單元的功能是什么？其輸入受什么控制？ 答：控制單元的主要功能是發(fā)出各種不同的控制信號。其輸入受時鐘信號、指令寄存器的操作碼字段、標志和來自系統(tǒng)總線的控制信號的控制。 3. 什么是指令周期、機器周期和時鐘周期？三者 有何關系？ 答 ： CPU 每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期； 機器周期是在同步控制的機器中，執(zhí)行指令周期中一步相對完整的操作（指令步）所需時間，通常安排機器周期長度 等于 主存周期； 時鐘周期是指計算機主時鐘的周期時間，它是計算機運行時最基本的時序單位，對應完成一個微操作所需時間，通常時鐘周期 等于 計算機主頻的倒數。 4. 能不能說機器的主頻越快，機器的速度就越快，為什么？ 解：不能說機器的主頻越快，機器的速度就越快。因為機器的速度不僅與主頻有關，還與數據通路結構、時序分配方案、 ALU 運算能力、 指令功能強弱等多種因素有關，要看綜合效果。 5. 設機器 A 的主頻為 8MHz，機器周期含 4 個時鐘周期，且該機的平均指令執(zhí)行速度是，試求該機的平均指令周期和機器周期，每個指令周期中含幾個機器周期？如果機器 B 的主頻為 12MHz，且機器周期也含 4 個時鐘周期，試問 B 機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS? 解：先通過 A 機的平均指令執(zhí)行速度求出其平均指令周期，再通過主頻求出時鐘周期，然后進一步求出機器周期。 B 機參數的算法與 A 機類似。計算如下： A 機平均指令周期 =1/= A 機時鐘周期 =1/8MHz=125ns A 機機器周期 =125ns4=500ns= A 機每個指令周期中含機器周期個數 =247。=5 個 B 機時鐘周期 =1/12MHz?83ns B 機機器周期 =83ns4=332ns 設 B 機每個指令周期也含 5 個機器周期，則： B 機平均指令周期 =332ns5= B 機平均指令執(zhí)行速度 =1/= 結論：主頻的提高有利于機器執(zhí)行速度的提高。 6. 設某機主頻為 8MHz，每個機器周期平均含 2 個時鐘周期，每條指令平均有 4 個機器 周期，試問該機的平均指令執(zhí)行速度為多少 MIPS？若機器主頻不變，但每個機器周期平均含 4 個時鐘周期，每條指令平均有 4 個機器周期，則該機的平均指令執(zhí)行速度又是多少 MIPS？由此可得出什么結論？ 解：先通過主頻求出時鐘周期，再求出機器周期和平均指令周期，最后通過平均指令周期的倒數求出平均指令執(zhí)行速度。計算如下： 時鐘周期 =1/8MHz=10 6s 機器周期 =10 6s2= 10 6s 平均指令周期 =10 6s 4=106s 平均指令執(zhí)行速度 =1/106s=1MIPS 當參數改變后：機器周期 = 10 6s4= 10 6s 平均指令周期 =10 6s 4=210 6s 平均指令執(zhí)行速度 =1/（ 210 6s） = 結論：兩個主頻相同的機器，執(zhí)行速度不一定一樣。 7. 某 CPU 的主頻為 10MHz，若已知每個機器周期平均包含 4 個時鐘周期，該機的平均指令執(zhí)行速度為 1MIPS，試求該機的平均指令周期及每個指令周期含幾個機器周期？若改用時鐘周期為 的 CPU 芯片，則計算機的平均指令執(zhí)行速度為多少 MIPS？若要得到平均每秒80 萬次的指 令執(zhí)行速度，則應采用主頻為多少的 CPU 芯片？ 解：先通過主頻求出時鐘周期時間，再進一步求出機器周期和平均指令周期。 時鐘周期 =1/10MHz=10 6s 機器周期 =10 6s4= 10 6s 平均指令周期 =1/1MIPS=106s 每個指令周期所含機器周期個數 =106s /10 6s = 個 當芯片改變后：機器周期 =4= 平均指令周期 ==4181。s 平均指令執(zhí)行速度 =1/4181。s= 若要得到平均每秒 80 萬次的指令執(zhí)行速度，則 : 平均指令周期 =1/=10 6= 機器周期 =247。= 時鐘周期 = 247。4=0. 125181。s CPU 主頻 =1/=8MHz 8. 某計算機的主頻為 6MHz，各類指令的平均執(zhí)行時間和使用頻度如下表所示，試計算該機的速度（單位用 MIPS 表示），若上述 CPU 芯片升 級 為 10MHz，則該機的速度又為多少？ 指令類別 存取 加、減、比較、轉移 乘除 其它 平均指令執(zhí)行時間 10181。s 使用頻度 35% 45% 5% 15% 解 : (1)指令平均運行時間 =（ +0. 45+10+ 5） μs= 8μs 機器平均運行速度 = 1/ ≈ (2)時鐘周期 = 1/6MHz≈ 指令平均運行周期數 = 247。 ≈ 若 CPU 芯片升 級 為 10MHz， 時鐘周期 = 1/10MHz= 指令平均運行時間 = = 機器平均運行速度 = 1/≈1. 3MIPS 10. 試比較同步控制、異步控制和聯合控制的區(qū)別。 答： 同步控制是指任何一條指令或指令中任何一個微操作的執(zhí)行都是事先確定的，并且都受同一基準時標的時序信號所控制的方式。異步控制無基準時標信號，微操作的時序是由專門的應答 線路控制，即控制單元發(fā)出執(zhí)行某一微操作的控制信號后，等待執(zhí)行部件完成了該操作后發(fā)回“回答”或“結束”信號，再開始新的微操作。聯合控制是同步控制和異步控制相結合的方式，即大多數操作（如 CPU 內部各操作）在同步時序信號的控制下進行 ，少數時間難以確定的微操作（如涉及 I/O 操作）采用異步控制。 11. 設 CPU 內部結構如圖 所示，此外還設有 B、 C、 D、 E、 H、 L 六個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都與內部總線相通，并分別受控制信號控制（如 Bi 為寄存器 B 的輸入控制；Bo 為 B 的輸出控制）。要求從取指令開始， 寫出完成下列指令所需的 全部微操作和 控制信號。 （ 1） ADD B， C ((B)+(C) ?B) （ 2） SUB A,H ((AC)(H) ?AC) 解：先畫出相應指令的流程圖，然后將圖中每一步數據通路操作分解成 相應的微操作，再寫出同名的微命令即可。 ?（ 1） ADD B， C 指令流程及微命令序列如下： P C → B U S → M A RM ( M A R ) → M D RM D R → B U S → I RB → B U S → YC → B U S → A L UP C + 1 → P CY B U S → ZZ → B U S → A C取指周期執(zhí)行周期P C o , M A R iM A R o , M D R iM D R o , I R i+ 1B o , Y iC o , A L U iY o , + , Z iZ o , B i （ 2） SUB A， H 指令流程及微命令序列如下： P C → B U S → M A RM ( M A R ) → M D RM D R → B U S → I RA C → B U S → YH → B U S → A L UP C + 1 → P CA C B U S → ZZ → B U S → A C取指周期執(zhí)行周期P C o , M A R iM A R o , M D R iM D R o , I R i+ 1A C o , Y iH o , A L U iA C o , , Z iZ o , A C i 13. 設 CPU 內部結構如圖 所示， 此外還設有 R1~R4 四 個寄存器，它們各自的輸