1、控制單元CU,第 九 章,3. 什么是指令周期、機器周期和時鐘周期？三者有何關(guān)系？ 解：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=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(yīng)完成一個微操作所需時間，通常時鐘周期=計算機主頻的倒數(shù)。,14,4. 能不能說CPU的主頻越快，計算機的運行速度就越快？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

2、素有關(guān)，要看綜合效果。,5. 設(shè)機器A的CPU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0.4MIPS，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CPU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=1/0.4MIPS=2.5s A機時鐘周期=1/8MHz=125ns A機機器周期=125ns4=500ns=0.5s A機每個指令周期中含機

3、器周期個數(shù) =2.5s0.5s=5個 B機時鐘周期 =1/12MHz 83ns B機機器周期 =83ns4 =332ns 設(shè)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=1.66s B機平均指令執(zhí)行速度=1/1.66s =0.6MIPS 結(jié)論：主頻的提高有利于機器執(zhí)行速度的提高。,6. 設(shè)某計算機的CPU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，試問該計算機的平均指令執(zhí)行速度為多少MIPS？若CPU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

4、：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=0.12510-6 =125ns 機器周期=125ns2=250ns 平均指令周期=250ns4=1000ns=1s 平均指令執(zhí)行速度=1/1s=1MIPS 當(dāng)參數(shù)改變后： 機器周期= 125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期=0.5s4=2s 平均指令執(zhí)行速度=1/2s=0.5MIPS 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

5、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0.4s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(yīng)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=0.110-6 =100ns 機器周期=100ns4=400ns=0.4s 平均指令周期=1/1MIPS =110-6=1s 每個指令周期所含機器周期個數(shù) = 1s/0.4s=2.5個,當(dāng)芯片改變后，相應(yīng)參數(shù)變?yōu)椋?機器周期=0.4s4=1.6s 平均指令周期=1.6s2.5=4s 平均指令執(zhí)行速度=

6、1/4s =0.25MIPS 若要得到平均每秒80萬次的指令執(zhí)行速度，則應(yīng)采用的主頻為： 平均指令周期=1/0.8MIPS =1.25 10-6=1.25s 機器周期=1.25s2.5=0.5s 時鐘周期= 0.5s4=0.125s 主頻=1/0.125s=8MHz 應(yīng)采用主頻為8MHz的CPU芯片。,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，則該機的運行速度又為多少？ 指令類別 存取 加、減、比較、轉(zhuǎn)移 乘除 其他 平均指令 執(zhí)行時間 0.6s 0.8s 10s 1.4s 使用頻度 3

7、5% 45% 5% 15%,解：指令平均運行時間 =（0.60.35 +0.80.45+100.05+1.40.15）s = 0.21+0.36+0.5+0.21 = 1.28s 機器平均運行速度 = 1/1.28s = 0.78125MIPS CPU芯片升級后，機器平均運行速度計算： 方法一： 0.78125MIPS(10MHz/ 6MHz)1.3MIPS 方法二： 時鐘周期 = 1/6MHz0.16667s 指令平均運行周期數(shù)=1.28s/0.16667s7.68CPI 升級后時鐘周期 = 1/10MHz 0.1s 指令平均運行時間0.1s7.680.768s 機器平均運行速度1/0.76

8、8s1.3MIPS,11. 設(shè)CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.4所示，此外還設(shè)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為寄存器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(yīng)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(yīng)的微操作，再寫出同名的微命令即可。,控制信號舉例：圖9.4 在此基礎(chǔ)上再加B、C、D、E、H、L六個寄存器，連法和控制信號定義方式與圖中其它寄存器一樣。,（

9、1） ADD B，C指令流程及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi,Bo，Yi Co，ALUi，+ Zo，Bi,ADD ,BY,ZB,（Y）+（C）Z,（2） SUB A，H指令流程及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi,Ho，Yi ACo，ALUi， Zo，ACi,SUB ,HY,ZAC,（AC）（H）Z,12. CPU結(jié)構(gòu)同上題，寫出完成下列指令所需的全部微操作和控制信號（包括取指令）。 （1）寄存器間接尋址的無條件轉(zhuǎn)移指令“JMP B”。 （2）間接尋址的存數(shù)指

10、令“STA X”。 解：解題方法步驟同上題。 （1） “JMP B”指令的流程圖和全部微操作控制信號如下：,“JMP B”指令流程圖及微命令序列： ,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi Bo，PCi 注：指令中B為寄存器名。,（2） “STA X”指令流程圖及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi,MDRo，MARi 1 R MDRo，MARi ACo，MDRi 1 W 注：指令中X為形式地址,13. 設(shè)CPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.4所示，此外還設(shè)有R1R4四個寄存器，它們各自的輸入和輸出端都

11、與內(nèi)部總線相通，并分別受控制信號控制（如R2i為寄存器R2的輸入控制；R2o為寄存器R2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 R2， R4 ； （(R2)+(R4) R2，寄存器間接尋址） （2）SUB R1， mem ； （(R1)-(mem) R1，存儲器間接尋址） 解：解題方法步驟同第11題。 （1） “ADD R2， R4”指令的流程圖和全部微操作控制信號如下：,“ADD R2， R4”指令的流程圖和全部微操作命令：,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi,R2o，Yi R4o，MARi 1

12、 R MDRo，ALUi，+ Zo，R2i,（2）SUB R1， mem指令流程圖和全部微命令如下：,PCo，MARi 1 R +1（圖中未標出， 可與前一步并行） MDRo，IRi,MDRo，MARi 1 R R1o，Yi MDRo，ALUi， Zo，R1i,14. 設(shè)單總線計算機結(jié)構(gòu)如圖9.5所示，其中M為主存，XR為變址寄存器，EAR為有效地址寄存器，LATCH為鎖存器。假設(shè)指令地址已存于PC中，畫出“LDA * D”和“SUB D(XR)”指令周期信息流程圖，并列出相應(yīng)的控制信號序列。 說明： （1） “LDA * D”指令字中*表示相對尋址，D為相對位移量。 （2） “SUB D(XR)”指令字中D為形式地址。 （3）寄存器的輸入和輸出均受控制信號控制，例如，PCi表示PC的輸入控制信號，MDRo表示MDR的輸出控制信號。 （4）凡是需要經(jīng)過總線實現(xiàn)寄存器之間的傳送，需在流程圖中注明，如PCBusMAR，相應(yīng)的控制信號為PCo和MARi。,（1）“LDA * D”指令周期流程圖及控制信號序列：,PCo，MARi R/-W=R（MAR、MDR與M直連，故不需控制） MDRo，IRi +1（圖中未標出， 可與前一步并行）