计算机组成原理(蒋本珊)第六章

《计算机组成原理(蒋本珊)第六章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理(蒋本珊)第六章（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第六章 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 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。 什么是三级时序系统？解：三级

2、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。 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：（） 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。（） 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。（） 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 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。 中央处理器有哪些功能？ 它由哪些基

3、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。 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

4、、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。 某机CPU 芯片的主振频率为MHz ，其时钟周期是多少s ？ 若已知每个机器周期平均包含 个时钟周期，该机的平均指令执行速度为 MIPS ，试问：（） 平均指令周期是多少s ？（） 平均每个指令周期含有多少个机器周期？（） 若改用时钟周期为 s 的CPU 芯片，则计算机的平均指令执行速度又是多少MIPS ？（） 若要得到 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 MHz s（） 平均指令周期 MIPS s（） 机器周期 s s平均每个指令周期的机器周期数 s s （） 主

5、振频率 MHz 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。（） 程序计数器PC ；（） 指令寄存器IR ；（） 算术逻辑运算部件ALU ；（） 存储器数据寄存器MDR ；（） 存储器地址寄存器MAR 。解：（） 程序计数器PC ：存放指令地址；（） 指令寄存器IR ：存放当前指令；（） 算术逻辑运算部件ALU ：进行算逻运算；（） 存储器数据寄存器MDR ：存放写入或读出的数据指令；（） 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（INC A）”为例，该指令分为 个周期：取指周期、分析取数周期、执行周期。 个周期完成的操作

6、如表- 所示。 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。 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：（） 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。（） 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。 CPU 中指令寄存器是否可以不要？ 指令译码器是否能直

7、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JMP A 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JMP A 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。 设一地址指令格式如下： OP A现在有 条一地址指令：LOAD（取数） 、ISZ（加“”为零跳） 、DSZ（减“”为零跳） 、STORE（存数） ，在一台单总线

8、单累加器结构的机器上运行，试排出这 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：（） LOAD（取数）指令PC MAR ，READ ；取指令MM MDRMDR IR ，PC PCA MAR ，READ ；取数据送AccMM MDRMDR Acc（） ISZ（加“”为零跳）指令取指令微操作略。A MAR ，READ ；取数据送AccMM MDRMDR AccAcc Acc ；加If Z then PC PC ；结果为 ，PC Acc MDR ，WRITE ；保存结果MDR MMAcc Acc ；恢复Acc（） DSZ（减“”为零跳）指令取指令微

9、操作略。A MAR ，READ ；取数据送AccMM MDRMDR AccAcc Acc ；减If Z then PC PC ；结果为 ，PC Acc MDR ，WRITE ；保存结果MDR MMAcc Acc ；恢复Acc（） 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 ，WRITEMDR MM 某计算机的CPU 内部结构如图唱 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 BF A ； F B F A ； F B 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

10、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： PC B ，F B ，F MAR ，Read ；取指令的第一个字 PC B ，F B ，F PC MDR B ，F B ，F IR PC B ，F B ，F MAR ，Read ；取指令的第二个字 PC B ，F B ，F PC MDR B ，F B ，F Y SP B ，F B ，F SP ，F MAR ；修改栈指针，返回地址压入堆栈 PC B ，F B ，F MDR ，Write Y A ，F A ，F PC ；子程序的首地址 PC End 某机主要部件如图- 所示。（） 请补充各部件间的

11、主要连接线，并注明数据流动方向。（） 拟出指令ADD （R ） ，（R ） 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R 和R中，目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。解：（） 将各部件间的主要连接线补充完后如图- 所示。（） 指令ADD （R ） ，（R ） 的含义为（R ） （R ） （R ）（R ） R指令的执行流程如下： （PC） MAR ；取指令 Read M（MAR） MDR IR （PC） PC （R ） MAR ；取被加数 Read M（MAR） MDR C （R ） MAR ；取加数 Read M（MAR

12、） MDR D（R ） R ；修改目的地址（C） （D） MDR ；求和并保存结果WriteMDR MM CPU 结构如图唱 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 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。（） 标明 个寄存器的名称。（） 简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。（） 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：（） 这 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 。（） 取指令的数据通路：PC MAR MM MDR IR（） 数据从主存中取出的数据

13、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 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

14、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。 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 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

15、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。 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

16、微指令的操作重叠起来，从而缩短微周期。 图唱 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 、 两位决定。分支点b 由条件码C 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 位。（） 设计实现该微指令序列的微指令字之顺序控制字段格式。（） 给出每条微指令的二进制编码地址。（） 画出微程序控制器的简化框图。解：（） 该微程序流程有两处有分支的地方，第一处有 路分支，由指令操作码IR IR 指向 条不同的微指令，第二处有 路分支，根据运算结果C 的值决定后继微地址。加上顺序控制，转移控制字段取 位。图唱 中共有 条微指令

17、，则下址字段至少需要 位，但因已知微指令地址寄存器字长 位（MAR MAR ） ，故下址字段取位。微指令的顺序控制字段格式如图- 所示。（） 转移控制字段 位： 顺序控制 由IR IR 控制修改MAR ，MAR 。 由C 控制修改MAR 。微程序流程的微地址安排如图- 所示。每条微指令的二进制编码地址见表- 。注：每条微指令前的微地址用十六进制表示。图- 微程序流程的微地址安排（） 微程序控制器的简化框图略。 已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量 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 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- 所示。（）

18、 微指令中的 个字段分别应为多少位？（） 画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解：（） 因为控制转移的条件共 个，则判别测试字段为 位；因为控存容量为个单元，所以下地址字段为 位；微命令字段是（ ） 位。（） 对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图- 。 某机有 条微指令I I ，每条微指令所含的微命令控制信号如表- 所列。图唱 微程序控制器逻辑框图a j 分别代表 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 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

19、令，如微指令I 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 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 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- 所示。其中：字段 的译码器输出对应的微命令为 无 b i j字段 的译码器输出对应的微命令为 无 e f h将全部 条微指令代码化可以得到I ：I ：I ：I ：I ：I ：I ：I ： 在微程序控制器中，微程序计数器PC 可以用具有加“”功能的微地址寄存器MAR 来代替，试问程序计数器PC 是否可以用具有加“”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（MAR）来代替PC 。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 。