【正文】 ?（ 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(shè) CPU 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示， 此外還設(shè)有 R1~R4 四 個(gè)寄存器，它們各自的輸入。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(hào)。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(shí)序信號(hào)的控制下進(jìn)行 ，少數(shù)時(shí)間難以確定的微操作（如涉及 I/O 操作）采用異步控制。 答： 同步控制是指任何一條指令或指令中任何一個(gè)微操作的執(zhí)行都是事先確定的，并且都受同一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制的方式。s 使用頻度 35% 45% 5% 15% 解 : (1)指令平均運(yùn)行時(shí)間 =（ +0. 45+10+ 5） μs= 8μs 機(jī)器平均運(yùn)行速度 = 1/ ≈ (2)時(shí)鐘周期 = 1/6MHz≈ 指令平均運(yùn)行周期數(shù) = 247。4=0. 125181。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(jī)器周期 =247。 時(shí)鐘周期 =1/10MHz=10 6s 機(jī)器周期 =10 6s4= 10 6s 平均指令周期 =1/1MIPS=106s 每個(gè)指令周期所含機(jī)器周期個(gè)數(shù) =106s /10 6s = 個(gè) 當(dāng)芯片改變后：機(jī)器周期 =4= 平均指令周期 ==4181。計(jì)算如下： 時(shí)鐘周期 =1/8MHz=10 6s 機(jī)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(dāng)參數(shù)改變后：機(jī)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(gè)主頻相同的機(jī)器，執(zhí)行速度不一定一樣。=5 個(gè) B 機(jī)時(shí)鐘周期 =1/12MHz?83ns B 機(jī)機(jī)器周期 =83ns4=332ns 設(shè) B 機(jī)每個(gè)指令周期也含 5 個(gè)機(jī)器周期，則： B 機(jī)平均指令周期 =332ns5= B 機(jī)平均指令執(zhí)行速度 =1/= 結(jié)論：主頻的提高有利于機(jī)器執(zhí)行速度的提高。 B 機(jī)參數(shù)的算法與 A 機(jī)類似。因?yàn)闄C(jī)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(shí)序分配方案、 ALU 運(yùn)算能力、 指令功能強(qiáng)弱等多種因素有關(guān)，要看綜合效果。 3. 什么是指令周期、機(jī)器周期和時(shí)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(shí)間叫指令周期； 機(jī)器周期是在同步控制的機(jī)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(shí)間，通常安排機(jī)器周期長度 等于 主存周期； 時(shí)鐘周期是指計(jì)算機(jī)主時(shí)鐘的周期時(shí)間，它是計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)最基本的時(shí)序單位，對應(yīng)完成一個(gè)微操作所需時(shí)間，通常時(shí)鐘周期 等于 計(jì)算機(jī)主頻的倒數(shù)。 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(wù)B 服 務(wù)A 服 務(wù)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(hào)。設(shè) A、 B、C 中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間均為 20? s。 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(shè)屏蔽位 =1，表示屏蔽；屏蔽位 =0，表示中斷開放。 解： A、 B、 C、 D 的響優(yōu)先級(jí)即處理優(yōu)先級(jí)。若中斷服務(wù)程序的執(zhí)行時(shí)間為 20181。當(dāng) INT=1 時(shí)，進(jìn)入中斷周期，執(zhí)行中斷隱指令的操作。其狀態(tài)可由開、關(guān)中斷等指令設(shè)置 。 EINT—— 中斷允許觸發(fā)器， CPU 中的中斷總開關(guān)。分析如下： 假設(shè) IF、 ID、 EX、 WR 每個(gè)階段耗時(shí)為 t，則連續(xù)執(zhí)行 n 條指令 采用二級(jí)流水線時(shí)，耗時(shí)為： 4t+(n1)2t=(2n+2)t 采用四級(jí)流水線時(shí)，耗時(shí)為： 4t+(n1)t=(n+3)t 在 n1 時(shí)， n+32n+2， 可見四級(jí)流水線耗時(shí)比二級(jí)流水線耗時(shí)短，因此 更能提高處理機(jī)速度。 8. 什么是指令流水？畫出指令二級(jí)流水和四級(jí)流水的示意圖，它們中哪個(gè)更能提高處理機(jī)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(gè)操作時(shí)間大致相等的階段，每個(gè)階段由一個(gè)獨(dú)立的功能部件來完成，這樣 n 個(gè)部件就可以 同時(shí)執(zhí)行 n 條指令的不同階段，從而大大提高 CPU 的吞吐率。粗粒度并行是指在多個(gè)處理機(jī)上分別運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，由多臺(tái)處理機(jī)合作完成一個(gè)程序，一般用算法實(shí)現(xiàn)。即在 同一時(shí)刻或同一時(shí)間段內(nèi)完成兩個(gè)或兩個(gè)以上性質(zhì)相同或性質(zhì)不同的功能，只要在時(shí)間上存在相互重疊，就存在并行性。 7. 什么叫系統(tǒng)的并行性？粗粒度并行和細(xì)粒度并行有何區(qū)別？ 答： 所謂并行性包含同時(shí)性和并發(fā)性。 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(yīng)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。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(dá)方式，其關(guān)鍵都要能清楚地反映數(shù)據(jù)在通路上流動(dòng)的順序，即強(qiáng)調(diào)一個(gè) “ 流 ” 字。常用的數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)方式有直接連線、單總線、雙總線、三總線等形式，目 前大多采用總線結(jié)構(gòu)，直接連線方式僅適用于結(jié)構(gòu)特別簡單的機(jī)器中。 （ 2）畫出中斷周期的數(shù)據(jù)流。 4. 設(shè) CPU 內(nèi)有下列部件： PC、 IR、 SP、 AC、 MAR、 MDR 和 CU。 3. 畫出指令周期的流程圖，分析說明圖中每個(gè)子周期的作用。 2. 什么是指令周期？指令周期是否有一個(gè)固定值？為什么？ 解：指令周期是指 取出并執(zhí)行完 一條指令 所需的 時(shí)間。 第八章 1. CPU 有哪些功能？畫出其結(jié)構(gòu)框圖并簡要說明各個(gè)部件的作用。指令格式變?yōu)椋? OP（ 6 位） 源 R（ 5 位） I（ 1 位） X（ 1 位） 目標(biāo) R（ 5 位） A（ 14 位） 增加尋址特征位 X，當(dāng) X=1 時(shí)，以目標(biāo)寄存器 R 作為基址寄存器進(jìn)行基址尋址。 （ 2） 在滿足（ 1）的前提下， 如果采用通用寄存器作基址寄存器，則上述寄存器 — 存儲(chǔ)器型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲(chǔ)空間？ 解：（ 1）如采用 RS 型指令，則此指令一定是二地址以上的地址格式，指令格式如下： OP（ 6 位） R（ 5 位） I(1 位 ) A（ 20 位） 操作碼字段 OP 占 6 位，因?yàn)?26=64； 寄存器編號(hào) R 占 5 位，因?yàn)?25=32； 間址位 I 占 1 位，當(dāng) I=0，存儲(chǔ)器尋址的操作數(shù)為直接尋址，當(dāng) I=1 時(shí)為間接尋址； 形式地址 A 占 20 位，可以直接尋址 220字。 19. 某 CPU 內(nèi)有 32 個(gè) 32 位的通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納 64 種操作的指令系統(tǒng)。還可以通過 16 位的基址寄存器左移 6 位再和形式地址 A 相加，也可達(dá)到同樣的效果。當(dāng)需要使指令尋址范 圍擴(kuò)大到 4M 時(shí)，編程選擇頁面尋址方式，則： EA =（ PR） ‖ A （有效地址 =頁面地址 “ 拼接 ”6 位形式地址） ， 這樣得到 22 位有效地址。安排如下： 硬件設(shè)頁面寄存器 PR（ 16 位），用來存放頁面地址。在編程指定的尋址過程完成、 EA 產(chǎn)生之后由硬件自動(dòng)完成，對用戶是透明的。在完成指令尋址方式所規(guī)定的尋址操作后，得有效地址 EA（ 6 位），再由硬件自動(dòng)完成段尋址，最后得 22 位物理地址。 （ 7） 方案 一 ： 為使指令尋址范圍可擴(kuò)大到 4M，需要有效地址 22 位，此時(shí)可將單字長一地址指令的格式改為雙字長，如下圖示： OP（ 7 位） MOD（ 3 位） A（ 高 6 位） A（低 16 位） 方案二 ：如果仍采用單字長指令（ 16 位）格式，為使指令尋址范圍擴(kuò)大到 4M，可通過段尋址方案實(shí)現(xiàn)。變址尋址由于變址寄存器的內(nèi)容由用戶 給定，而 且 在程序的執(zhí)行過程中允許用戶修改，而其形式地址始終不變，故變址尋址的指令便于用戶編制處理數(shù)組問題的程序。 （ 6） 上述六種尋址方式中，因立即數(shù)由指令直接給出，故立即尋址的指令執(zhí)行時(shí)間最短。 （ 3） 由于存儲(chǔ)字長為 16 位，故一次間址的尋址范圍為 216； 若多次間址，需用存儲(chǔ)字的最高位來區(qū)別是否繼續(xù)間接尋址，故尋址范圍為 （ 4）立即數(shù)的范圍 為 32—— 31（有符號(hào)數(shù)），或 0—— 63（ 無符號(hào)數(shù) ）。 解：（ 1）單字長一地址指令格式： OP（ 7 位） M（ 3 位） A（ 6 位） OP 為操作碼字段，共 7 位，可反映 108 種操作； M 為尋址方式字段，共 3 位，可反映 6 種尋址操作； A 為地址碼字段，共 1673=6 位。 11. 畫出先變址再間址及先間址再變址的尋址過程示意圖。 10. 試比較基址尋址和變址尋址。） 9. 試比較間接尋址和寄存器間接尋址。若零地址指令有 M 條，一地址指令有 N 種 ，則二地址指令最多有幾種？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾種？ 解： 1）若采用定長操作碼時(shí)，二地址指令格式如下： OP（ 4 位） A1（ 6 位） A2（ 6 位） 設(shè)二地址指令有 K 種，則： K=24MN 當(dāng) M=1（最小值）， N=1（最小值）時(shí)，二地址指令最多有： Kmax=1611=14 種 3） 若采用變長操作碼時(shí)，二地址指令格式仍如 1）所示，但操作碼長度可隨地址碼的個(gè)數(shù)而變。 答： 對于二地址指令而言，操作數(shù)的物理地址可安排在寄存器內(nèi)、指令中或內(nèi)存單元內(nèi)等。 在一地址指令中，另一個(gè)操作數(shù)的地址通?？刹捎?ACC 隱含尋址方式獲得。 4. 零地址指令的操作數(shù)來自哪里？ ？各舉一例說明。 2. 什么叫尋址方式？為什么要學(xué)習(xí)尋址方式？ 答： 參看 P310。 （ 3）單重分組 16 位并行加法器邏輯圖如下（正邏輯）： 注意： 1） 74181 芯片正、負(fù)邏輯的引腳表示方法； 2）為強(qiáng)調(diào)可比性， 5533 分組時(shí)不考慮扇入影響； 3） 181 芯片只有 最高、最低兩個(gè)進(jìn)位輸入 /輸出端，組內(nèi)進(jìn)位無引腳； 4） 181 為 4 位片，無法 5533 分組，只能 4444 分組； 5）單重分組跳躍進(jìn)位只用到 181，使用 182 的一定是雙重以上分組跳躍進(jìn)位； 6）單重分組跳躍進(jìn)位是并行進(jìn)位和串行進(jìn)位技術(shù)的結(jié)合；雙重分組跳躍進(jìn)位是二級(jí)并行進(jìn)位技術(shù)；特別注意在位數(shù)較少時(shí)，雙重分組跳躍進(jìn)位可以采用全先行進(jìn)位技術(shù)實(shí)現(xiàn)；位數(shù)較多時(shí)，可采用雙重分組跳躍進(jìn)位和串行進(jìn)位技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)。 5— 5— 3— 3 分組的 16 位雙重分組并行進(jìn)位鏈框圖如下： 5— 5— 3— 3 分組的進(jìn)位時(shí)間 =?3=； 4— 4— 4— 4 分組的進(jìn)位時(shí)間 =?3=； 可見， 兩種分組方案最長加法時(shí)間相同。 解：（ 1） 4— 4— 4— 4 分組的 16 位單重分組并行進(jìn)位鏈框圖見教材 286 頁圖 。 （ 2）畫出按兩種分組方案的雙重分組并行進(jìn)位鏈框圖，并對這兩種方案進(jìn)行比較。 解：先將 x、 y 轉(zhuǎn)換成機(jī)器數(shù)形式： （ 1） x=2011 100 ， y=2010 （ 100） [x]補(bǔ) =1， 101