西安交大计算机组成原理—习题解答第八章.pdf
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Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 控制器 习题解答 计 算 机 组 成 原 理 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.1什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关 系?能不能说机器的主频越快,机器的速度就越快?为什 么? 答:CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周 期;机器周期是在同步控制的机器中,执行指令周期中一 步相对完整的操作(指令步)所需时间,通常安排机器周 期长度= 主存周期;时钟周期是指计算机主时钟的周期时 间,它是计算机运行时最基本的时序单位,对应完成一个 微操作所需时间,通常时钟周期= 计算机主频的倒数。 不能说机器的主频越快,机器的速度就越快。因为机器的 速度不仅与主频有关,还与数据通路结构、时序分配方案 、ALU运算能力、指令功能强弱等多种因素有关,要看综 合效果。 第八章 8.1 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.2请分别分析用硬布线和门阵列两种组合逻辑控制单 元设计技术设计控制器的特点。 解:这两种技术采用的设计方法一样,均为组合逻辑 设计技术,但实现方法不一样。硬布线控制单元基于 传统的逻辑门电路组合逻辑设计方法来构建控制单元 ,门阵列控制器则采用集成度更高、性能更好的门阵 列芯片,利用硬件描述语言等工具编程完成逻辑设计 、通过烧制实现门阵列芯片内部的电路制作。 第八章 8.2 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.5 假设主脉冲源频率为10MHz ,在此条件下: (1 )要求一个CPU周期中产生5 个等间隔的节拍脉冲, 试画出时序产生器的逻辑图及时序波形图; (2 )如果主脉冲源频率变为5MHz ,要求一个CPU周期 中产生3 个节拍脉冲,T 1 =200ns ,T 2 =400ns ,T 3 =200ns ,试画出时序产生器的逻辑图及时序波形图。 第八章 8.5 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 时序产生器逻辑图如下: 第八章 8.5 解 时序产生器 节拍译码 逻辑如下: T 1 =C 1 /C 2 T 2 =C 2 /C 3 T 3 =C 3 /C 4 T 4 =C 4 T 5 =/C 1 C 1 Q D Q 。 C 2 Q D Q 。 C 3 Q D Q 。 。 。 。 & 。 & 。 C 5 Q D Q 。 。 10MH 脉冲源 1 。 。 & & & T 3 T 1 T 2 +5V CLR S R R R C 4 Q Q 。 D R 。 & & T 5 T 4 . . . . . . . . . . . . Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 时序波形图如下: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 C 5 C 1 C2 C3 C4 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 CPU周期 CPU周期 第八章 8.5 解 时序波形图 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 时序产生器逻辑图如下: C 1 Q D Q 。 C 2 Q D Q 。 C 3 Q D Q 。 。 。 。 & 。 & 。 C 4 Q D Q 。 。 脉冲 时钟源 1 。 。 & & & T 3 T 1 T 2 +5V CLR S R R R . . . . . . . . 节拍译码逻辑如下: T 1 =C 1 /C 2 T 2 =C 2 T 3 =/C 1 第八章 8.5 解 时序产生器 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 时序波形图如下: 1 2 3 4 5 6 C 4 C 1 C 2 C 3 T 1 T 2 T 3 200ns 400ns 200ns CPU周期 第八章 8.5 解 时序波形图 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.6 设微处理器的主频为16MHz ,平均每条指令的执 行时间为两个机器周期,每个机器周期由两个时钟脉 冲组成,问: (1 )存储器为“0 等待”,求出机器运算速度; (注:“0 等待”表示存储器可在一个机器周期完 成读/ 写操作,因此不需要插入等待时间。) (2 )假如每两个机器周期中有一个是访存周期,且访 存周期需插入1 个时钟周期的等待时间,求机器运算 速度。 第八章 8.6 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 存储器为“0 等待”时: 时钟周期=1/16MHz=1/(1610 6 )=0.062510 -6 =62.5ns 机器周期 = 62.5ns2 = 125ns 平均指令周期 = 125ns2 = 250ns 机器运算速度=1/250ns=0.00410 9 =4MIPS = 22 = 4CPI 访存周期 = 62.5ns3 = 187.5ns 平均指令周期 = 125ns + 187.5ns = 312.5ns 机器运算速度 = 1/312.5ns = 0.003210 9 = 3.2MIPS = 2 + 3 = 5CPI 第八章 8.6 解 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 评注:本题为计算机速度指标计算题。计算机运算速度 是计算机主要技术指标之一,普遍采用单位时间内执行 指令的平均条数来衡量,常用MIPS (每秒执行百万条指 令数)及CPI (执行一条指令所需时钟周期数)作为计 量单位,本题的求解就是围绕这两个单位进行的。通过 本题的计算,主要要求分清计算机工作时间中“指令周 期机器周期时钟周期”三种周期的层次关系,一般 而言,一个指令周期可划分为若干个机器周期,一个机 器周期又可划分为若干个时钟周期,而时钟周期又是由 主频的倒数决定的。 第八章 8.6 评注 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.7 8.7 设某机主频为8MHz ,每个机器周期平均含2个时钟 周期,每条指令平均有2.5个机器周期,试问: 该机的平均指令执行速度为多少 MIPS ? 若机器主频不变,但每个机器周期平均含4个时钟周 期 ,每条指令平均有5个机器周期,则该机的平均指令 执行速度又是多少MIPS ? 由此可得出什么结论? 解:先通过主频求出时钟周期,再求出机器周期和 平均 指令周期,最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令 执行速度。计算如下: Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 时钟周期=1/8MHz=0.12510 -6 =125ns 机器周期=125ns2=250ns 平均指令周期=250ns2.5= 625ns=0.625s 平均指令执行速度=1/625ns =1.6MIPS 当参数改变后 机器周期= 125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期=0.5s5=2.5s 平均指令执行速度=1/2.5s=0.4MIPS 结论 : 两个主频相同的机器,执行速度不一定一样。 第八章 8.7 解 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.8 8.8 某CPU的主频为8MHz ,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 , 试求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机 器周期? 若改用时钟周期为0. 4s 的CPU芯片,则计算机的平 均指令执行速度为多少MIPS ? 若要得到平均每秒40万次的指令执行速度,则应采 用主频为多少的CPU芯片? Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.8 解 解: 先通过主频求出时钟周期时间,再进一步求出机器周期 和平均指令周期。 时钟周期=1/8MHz=0.12510 -6 =125ns 机器周期=125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期=1/0.8MIPS=1.2510 -6 =1.25s 每个指令周期所含机器周期个数= 1.25s/0.5s=2.5 个 当芯片改变后,相应参数变为: 机器周期=0.4s4=1.6s 平均指令周期=1.6s2.5=4s 平均指令执行速度=1/4s=0.25MIPS Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 若要得到平均每秒40万次的指令执行速度,则应采用的 主频为: 平均指令周期=1/0.4MIPS=2.510 -6 =2.5s 机器周期=2.5s2.5=1s 时钟周期=1s4=0.25s 主频=1/0.25s=4MHz 应采用主频为4MHz 的CPU 芯片。 第八章 8.8 解 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.10 在微程序控制器中,微程序计数器PC可以用具有 加1 功能的微地址寄存器M AR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?为什么? 解:在微程序控制器中,微程序计数器PC可以用具有 加1 功能的微地址寄存器MAR来代替,但程序计数器 PC不可以用具有加1 功能的存储器地址寄存器MAR代替 ,因为控存中存放的全部是微程序,MAR中存放的全 部是微地址,MAR的功能已等同于PC,因此可以代 替。而存储器的工作性质与控存完全不同,它是一个公 用的存储部件,当指令执行期间需要取数据时,数据地 址送入MAR,如果此时MAR中放有程序地址,则该地址 将被破坏。 第八章 8.10 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.12 某32位 机共有微 操作控 制信号52 个,构成5 个相 斥类的 微命令 组 , 各组分 别包含4 个、5 个、8 个、15个和20 个微命令 。已知 可判 定 的 外部条 件有CY 和ZF 两个,微 指令字 长29 位。 (1 ) 采用增量 与下址 字段相 结合方 式设计 水平型 微指令 格式; (2 ) 可由微指 令直接 访问的 控制存 储器的 容量应 为多大 ? 解: 5 个 相 斥微命令组 分别用A 、B 、C 、D 、E 表示,水平 型微指 令格 式如下 : 3 3 4 4 5 2 8 A(4 个) B(5 个) C(8 个) D(15 个) E(20 个) 转移条件 转移地 址 控存容量 = 2 8 29 = 25629 位 第八章 8.12 顺 序 控 制 字 段 操 作 控 制 字 段 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.13 8.13 某 微 程 序计 算机具有16 条 指令M 1 M 16 ,每条微 指令要产 生 的 微 命令信号 如下表 所示: 表中,a p分别对应16 种不同 的 微 命 令,假设 一条微 指令长20 位 , 其 中顺序控 制字段 为10 位 ,控 存容量为51220位。要求 : 采用“ 直接 编码法” 或“ 字 段 直 接编码法” 设计 此机器的 微 指 令 操作控制 字段格 式,要求 所 设 计 的格式译 码速度 尽可能快 ; 采 用 断 定方 式设计 此机微指 令 的 顺序控制 字段格 式,要求 微 程 序 可实现8路分 支转移 ,并对 T 0 T 3 四种 状态进行 测试, 其中 :T 0 决定微 地址最低 位A 0 ;T 1 决 定次低位A 1 ;T 2 、T 3 共同决定 A 2 。 微指令 所 包 含 的 微 命 令 M 1 a ,c ,d ,f ,g ,p M 2 c ,d ,j M 3 a ,c ,d ,j ,l M 4 c M 5 a ,b ,c ,d ,e ,f M 6 a ,c ,d M 7 a ,c ,d ,g ,h ,l M 8 a ,b ,c ,d M 9 a ,c ,d ,i ,j ,m M 10 c ,d M 11 a ,c ,d ,f ,g ,k M 12 a ,b ,c ,d ,m M 13 a ,c ,d ,j ,l ,n M 14 a ,c M 15 a ,b ,c ,d ,m ,o M 16 a ,c ,d ,g Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.13 解 据题意,微指令操作控制字段位数为10位,而微命令个数 为16个,因此设计操作控制字段格式时,不可能全部采用 速度最快的不译法,只能采用混合编码法。为便于分析微 命令间的互斥关系,可利用下表进行观察(见下页): 由于每条微指令最多包含6 个微命令,因此可考虑将整个操 作控制字段分为6 组 , 组内微命令互斥,组间微命令相容。 互斥组可由下页表得出。操作控制字段格式设计如下: 1 2 1 1 3 2 由表知,a 、c 、d三个微命 令使用 最多, 直接采用 不译法 表示, 使用 最 少的7个微命令构 成7互斥组 ,与 另 两个3互斥组一 起,采 用分段直 接编 译 法 表示,正 好用满10 位操作 控制位 。 a bgj c d ehi kno p flm Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.13 微命令关系 表 微指令 a b c d e f g h i j k l m n o p M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 7 M 8 M 9 M 10 M 11 M 12 M 13 M 14 M 15 M 16 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.13 解 512=2 9 ,微地址需9位,设微地址格式如下: 顺序控制字段格式安排如下: | 测 试 条 件 | 其中:非测试地址部分可由微程序指定微地址的高6位 ,测试条件部分决定微地址的低3位,定义方式如下: C字段:00A 2 =0;10A 2 = T 2 01A 2 =1;11A 2 = T 3 B字段: 0A 1 =0 ; 1A 1 =T 1 A字段: 0A 0 =0 ; 1A 0 =T 0 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A 1 A 0 非 测 试 地 址 C B A Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 8.15设某计算机CPU的 微指令格式如下: 操 作 控 制 字 段 顺 序 控 制 字 段 若采用水平型微指令格式,转移条件字段使用直接控制 方 式,控制微程序转移的条件共有4个 ,微程序可在整个 控 存空间实现转移。试回答: 假设该机指令系统有100条指令,平均每条指令的执行 阶段由6条微指令编制的微程序实现。另有2段微程序是所 有指令公用的,其中取指令微程序段由5条微指令组成, 中断隐指令微程序段由8条微指令组成。则控制存储器至 少 需要多少个存储单元? 第八章 8.15 操 作 控 制 转 移 条 件 下 地 址 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 假设该机的微命令中分别有1个16互斥组 、1个8互斥组 、1个7互斥组、2 个3互斥组 和2个2互斥组,还有4个 微命 令与其它微命令是相容的。当采用字段直接编码法设计 时,操作控制字段中每个小字段各需多少位?操作控制 字段共需要多少位? 请进一步设计上述微指令格式中的顺序控制字段,其 转 移条件字段和下地址字段分别需要多少位?一个完整的 微指令格式总共需要多少位? 第八章 8.15(续) Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 最小控存容量=1006+5+8=613个存储单元 操作控制字段中每个小字段分别需要: 5、4、3、2、2、2、2、1、1、1、1位 操作控制字段总位数=5+4+3+24+14=12+8+4=24位 顺序控制字段格式如下: 24 4 10 其中:由于使用直接控制方式,故转移条件字段需4位 ; 由于2 9 =5126131024=2 10 ,故下地址字段要10位 。 完整的微指令格式总位数=24+10+4=38位 操 作 控 制 转 移 条 件 下 地 址 第八章 8.15 解 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.16 8.16 微指令操作控制字段有哪些常用的微命令编码方 式?各有何特点?假设某机有80条指令,平均每条指 令由6 条微指令编制的微程序实现,其中有一条取指 微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位, 则控制存储器容量至少需要多大? Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 第八章 8.16 解 微指令操作控制字段常用的微命令编码方式有3 种:直接 控制法(不译法)、分段直接编译法(字段直接编码法 )、混合表示法(混合编码法)。 特点:直接控制法每个微命令直接用1 位0 、1 编码表示, 产生微命令的速度最快,但在微命令个数较多时会导致 微指令过长难以实现。仅适用于控制较简单的场合。 分段直接编译法采用按互斥- 相容关系对微命令分组的方 式组织微命令。组内微命令是互斥的,一条微指令中, 每组只能发一个微命令。不同小组微命令是相容的,可 同时发。这种方法既照顾了微指令译码速度,又可有效 地压缩微指令长度,是一种非常实用的编码方式。 混合表示法是直接控制法和分段直接编译法的结合,兼 两种方法优点,实用性得到提高。 Copyright 2012 Computer Organization Group. All rights reserved. 假设某机80条指令,平均每条由6 条微指编制微程序实 现,其中取指微指是所有指令公用的。已知微指令长度 为32位,则 控制存储器最小容量= (805+1)32 = 40132位 第八章 8.16 解续- 配套讲稿:
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- 西安 交大 计算机 组成 原理 习题 解答 第八
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