計(jì)算機(jī)組成原理第5章習(xí)題參考答案第5章習(xí)題參考答案第5章習(xí)題參考答案1．請?jiān)诶ㄌ杻?nèi)填入適當(dāng)答案。在CPU中：(1)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（IR）；(2)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址的寄存器是（AR）(3)算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在（DR）和（通用寄存器）。2．參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令圖，其含義是將寄存器Rl的內(nèi)容傳送至(R2)為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作信號序列?！癝TORl，(R2)”的指令周期流程解：STOR1,(R2)的指令流程圖及為操作信號序列如下：2第5章習(xí)題參考答案STOR1,(R2)(PC)→ARPCO,G,ARiR/W=R(M)→DR(DR)→IRDRO,G,IRi(R2)→AR(R1)→DRR2O,G,ARiR1O,G,DRiR/W=W(DR)→M~3．參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令“LAD(R3)，R0”的指令周期流程圖，其含義是將(R3)為地址主存單元的內(nèi)容取至寄存器R2中，標(biāo)出各微操作控制信號序列。解：LADR3,(R0)的指令流程圖及為操作信號序列如下：3第5章習(xí)題參考答案LAD(R3),R0(PC)→AR(M)→DRPCO,G,ARiR/W=R(DR)→IRDRO,G,IRi(R3)→AR(M)→DRR3O,G,ARiR/W=R(DR)→R0~DRO,G,R0i4．假設(shè)主脈沖源頻率為10MHz，要求產(chǎn)生5個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖，試畫出時(shí)序產(chǎn)生器的邏輯圖。解：4第5章習(xí)題參考答案5．如果在一個(gè)CPU周期中要產(chǎn)生3個(gè)節(jié)拍脈沖；T＝200ns，T2=400ns，lT3=200ns，試畫出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖。解：取節(jié)拍脈沖T、T2、T3的寬度為時(shí)鐘周期或者是時(shí)鐘周期的倍數(shù)即可。所l以取時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘周期為200ns，即，其頻率為5MHz.；由于要輸出T的寬度為2個(gè)時(shí)鐘周期，也就是一個(gè)節(jié)拍電位的時(shí)間是C外，還需要3個(gè)觸發(fā)器——Cl、C2、C3；并令3個(gè)節(jié)拍脈沖信號，而34個(gè)時(shí)鐘周期，所以除了4TCC；TCC；TCC，由此可畫出邏輯電路圖如下：1121233135第5章習(xí)題參考答案6．假設(shè)某機(jī)器有80條指令，平均每條指令由4條微指令組成，其中有一條取指微指令是所有指令公用的。已知微指令長度為32位，請估算控制存儲器容量。解：80條指令，平均每條指令由4條微指令組成，其中有一條公用微指令，所以總微指令條數(shù)為80(4-1)+1=241條微指令，每條微指令32位，所以控存容量為：24132位7．某ALU器件是用模式控制碼MSS2S1C來控制執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)算和邏3y為二進(jìn)制變量，φ為0輯操作。下表列出各條指令所要求的模式控制碼，其中或l任選。試以指令碼(A，B，H，D，E，F(xiàn)，G)為輸入變量，寫出控制參數(shù)M，S3，S2，Sl，C的邏輯表達(dá)式。指令碼MS30S21111S11001C01yyA,BH,DE0000110F1G011解：由表可列如下邏輯方程M=G6第5章習(xí)題參考答案S3=H+D+FS2=A+B+D+H+E+F+GS1=A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8．某機(jī)有8條微指令I(lǐng)1—I8，每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。a—j分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為8位，請安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghijI1I2I3I4I5I6I7I8解：因?yàn)橛?0種不同性質(zhì)的微命令信號，如果采用直接表示法則需要10位控制字段，現(xiàn)控制字段僅限于8位，那么，為了壓縮控制字段的長度，必須設(shè)法把一個(gè)微指令周期中的互斥性微命令組合在一個(gè)小組中，進(jìn)行分組譯碼。經(jīng)分析，(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同時(shí)出現(xiàn)的互斥信號，所以可將其通過2:4譯碼后輸出三個(gè)微命令信號(00表示該組所有的微命令均無效)，而其余四個(gè)微命令信號用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。efhbijacdg或：XXXXdijefhabcg或：XXfhiXXbgjacdeXXXX9．微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下：μA8=P1·IR6·T4μA7=P1·IR5·T4μA6=P2·C·T47第5章習(xí)題參考答案其中μA—μA6為微地址寄存器相應(yīng)位，P和P為判別標(biāo)志，C為進(jìn)位標(biāo)志，812IR5和IR6為指令寄存器的相應(yīng)位，T為時(shí)鐘周期信號。說明上述邏輯表達(dá)式的4含義，畫出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖。解：μA8=P1·IR6·T4表示微地址的第μA7=P1·IR5·T4表示微地址的第μA6=P2·C·T4表示微地址的第8位在P1有效時(shí)，用IR設(shè)置67位在P1有效時(shí)，用IR設(shè)置6位在P2有效時(shí)，用進(jìn)位標(biāo)志C設(shè)置，5地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：T4PP21IR5IRC6μAR7μAR8μAR6DDDSETQQSETQQQQSETT2CLRCLRCLRμA8μA7μA610．某計(jì)算機(jī)有如下部件，ALU，移位器，主存地址寄存器MAR，指令寄存器IR，通用寄存器3主存M，主存數(shù)據(jù)寄存器MDR，C和D。RR，暫存器0(1)請將各邏輯部件組成一個(gè)數(shù)據(jù)通路，并標(biāo)明數(shù)據(jù)流動方向。(2)畫出“ADDR1，R2”指令的指令周期流程圖。解：(1)設(shè)該系統(tǒng)為單總線結(jié)構(gòu)，暫存器C和D用于ALU的輸入端數(shù)據(jù)暫存，移位器作為ALU輸出端的緩沖器，可對ALU的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行附加操作，則數(shù)據(jù)通路可設(shè)計(jì)如下：+CALUIRPCMARMMDRR0R1R2R3移位器D(2)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路，可畫出“ADDR1，R2”(設(shè)R1為目的寄存器)的指8第5章習(xí)題參考答案令周期流程圖如下：ADDR1,R2(PC)→MAR(M)→MDR(MDR)→IRPC+1(R1)→C(R2)→D(C)+(D)→移位器(移位器)→R1~11．已知某機(jī)采用微程序控制方式，控存容量為512*48位。微程序可在整個(gè)控存中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個(gè)，微指令采用水平型格式，后繼微指令地址采用斷定方式。請問；(1)微指令的三個(gè)字段分別應(yīng)為多少位?(2)畫出對應(yīng)這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。解：(1)因?yàn)槿萘繛?12*48位，所以下址字段需用9位，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件有4個(gè)，所以判別測試字段需4位或（3位譯碼），因此操作控制字段的位數(shù)48-9-4=35位(或48-9-3=36位)(2)微程序控制器邏輯框圖參見教材P.147圖5.239第5章習(xí)題參考答案指令寄存OP狀態(tài)條器IR地址轉(zhuǎn)微地址寄地址微命移控制存儲器微命令寄P字段控制字12．今有作。今假設(shè)完成各步操作的時(shí)間依次為100ns，100ns，80ns，50ns。請問；(1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少(2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，那么第4級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操?2條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行?(3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)間?答：(1)流水操作周期為max(100,100,80,50)=100ns(2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，而且在硬件上不采取措施，那么在第1條指令“送結(jié)果”步驟完成后，第2條指令的“取數(shù)”步驟才能開始，也就是說，第2條指令要推遲兩個(gè)操作周期，即200ns才能進(jìn)行。(3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，采用定向傳送的技術(shù)，則只要第1條指令完成“運(yùn)算”的步驟，第2條指令就可以“取數(shù)”了，因此至少需推遲100ns。13．指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)、訪存(MEM)、寫回寄存器堆(WB)五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。(1)畫出流水處理的時(shí)空圖，假設(shè)時(shí)(2)求流水線的實(shí)際吞吐率(單位時(shí)間里執(zhí)行完(3)求流水線的加速比。鐘周期為100ns。畢的指令數(shù))。解：(1)流水處理的空圖如下，其中每個(gè)流水操作周期為100ns：空間I1II15I17I18I20II21619S10第5章習(xí)題參考答案WBI1I2I15I16I17I18I19I20I1I2I3I16I17I18I19I20I1I2I3I4I17I18I19I20IDI1I2I3I4I5I18I19I20IFI1I2I3I4I5I6I19I20MEMEX時(shí)123456192021222324間T(2)流水線的實(shí)際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+119=24個(gè)流水周期，共2400ns，所以實(shí)際吞吐率為：208.333百萬條指令/秒2400109(3)流水線的加速比為：設(shè)流水線操作周期為τ，則n指令串行經(jīng)過k個(gè)過程段的時(shí)間為n*k*τ；而n條指令經(jīng)過可并行的k段流水線時(shí)所需的時(shí)間為(k+n-1)*τ；故20條指令經(jīng)過5個(gè)過程段的加速比為：2054.1751914．用時(shí)空圖法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。解：設(shè)流水計(jì)算機(jī)的指令流水線分為4個(gè)過程段：IF、ID、EX、WB，則流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空圖如下：空I1II53II24間S11第5章習(xí)題參考答案WBIIIII12345EXIIIIII123456IDIIIIIII1234567IFIIIIIIII12345678時(shí)12345678間T非流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空圖：空II12間SWBII21EXII21IDII21IFII21時(shí)12345678間T由圖中可以看出，同樣的8個(gè)操作周期內(nèi)，流水計(jì)算機(jī)執(zhí)行完了5條指令，而非流水計(jì)算機(jī)只執(zhí)行完了2條指令；由此，可看出流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。15．用定量描述法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。證明：設(shè)流水計(jì)算機(jī)具有k級流水線，每個(gè)操作周期的時(shí)間為，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：Tkn1；12第5章習(xí)題參考答案nkn1吞吐率為：H1而非流水計(jì)算機(jī)，執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：Tnk；nnk吞吐率為：H2kn11nknkkn1HH2當(dāng)n=1時(shí)，HH；12當(dāng)n>1時(shí)，HH，即：流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。1216．判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)(1)I1LADR1，A；M(A)→R1，M(A)是存儲器單元I2ADDR2，Rl；(R2)+(R1)→R2(R3)+(R4)→R3?(2)I1ADDR3，R4；I2MULR4，R5；(R4)(R5)→R4(3)I1LADR6，B；M(B)→R6，M(B)是存儲器單元I2MULR6，R7；(R6)(R7)→R6解：(1)I1的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該先寫入R，然后再在I中讀取R的內(nèi)容作為操作數(shù)，所121以是發(fā)生RAW(“寫后讀”)相關(guān)(2)WAR(3)RAW和WAW兩種相關(guān)17．參考圖5.39所示的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有如下6條指令序列：I1LADR1，B；M(B)→R1，M(B)是存儲器單元I2SUBR2，Rl；(R2)-(R1)→R2I3MULR3，R4；(R3)*(R4)→R3I4ADDR4，R5；(R4)+(R5)→R4I5