【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(shù)據(jù)以同同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可以按地址訪問；指令和數(shù)據(jù)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(zhì)，地址碼用來表。示操作數(shù)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(xiàn)在的CPU內(nèi)除含有運算器和控制器外還集成了CACHE）?？呻S機存取；由存儲體、各種邏輯部件及控制電路組成?；虼鎯υ?，不能單獨存取。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(jù)所給部件設計好數(shù)據(jù)通路，即確定信息流動的載體。其次選擇好描述數(shù)據(jù)流的方法，無論 采用什么樣的表達方式，其關(guān)鍵都要能清楚地反映數(shù)據(jù)在通路上流動的順序，即強調(diào)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(guān)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(nèi)完成兩個或兩個以上性質(zhì)相同或性質(zhì)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(xiàn)。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(guān)。當 EINT=1 時，表示允許中斷（開中斷），當 EINT=0 時，表示禁止中斷（關(guān)中斷）。其狀態(tài)可由開、關(guān)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(xiàn)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(jù)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(jù)下示格式， 現(xiàn)要求中斷處理次序改為 L1?L4?L2?L0?L3，根據(jù)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(guān)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(shù)。 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(guān)，還與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)、時序分配方案、 ALU 運算能力、 指令功能強弱等多種因素有關(guān)，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(shù)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(shù) =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(jié)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(jié)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(shù)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(shù)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(jié)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(shù) =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(zhuǎn)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(shù) = 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(lián)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(jié)束”信號，再開始新的微操作。聯(lián)合控制是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式，即大多數(shù)操作（如 CPU 內(nèi)部各操作）在同步時序信號的控制下進行 ，少數(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示， 此外還設有 R1~R4 四 個寄存器，它們各自的輸