电子科大-微机原理习题解答-chap3.pdf

微处理器系统原理与嵌入式系统设计 第三章习题解答 3 1 处理器有哪些功能处理器有哪些功能 说明实现这些功能各需要哪些部件说明实现这些功能各需要哪些部件 并画出处理器并画出处理器 的基本结构图的基本结构图 处理器的基本功能包括数据的存储 数据的运算和控制等功能 其有 5 个主要功能 指令控制 操作控制 时间控制 数据加工 中断处理 其中 数据加工由 ALU 移位器 和寄存器等数据通路部件完成 其他功能由控制器实现 处理器的基本结构图如下 3 2 处理器内部有哪些基本操作处理器内部有哪些基本操作 这些基本操作各包这些基本操作各包含哪些微操作含哪些微操作 处理器内部的基本操作有 取指 间接 执行和中断 其中必须包含取指和执行 取指包含微操作有 经过多路器把程序计数器的值选送到存储器 然后存储器回送所 期望的指令并将其写入指令寄存器 与此同时程序计数器值加 1 并将新值回写入程序计数 器 间接有 4 个 CPU 周期 包含微操作有 第 1 周期把指令寄存器中地址部分的形式地址 转到地址寄存器中 第 2 周期完成从内存取出操作数地址 并放入地址寄存器 第 3 周期中 累加器内容传送到缓冲寄存器 然后再存入所选定的存储单元 执行包含微操作有 在寄存器中选定一个地址寄存器 并通过多路器将值送到存储器 来自于存储器的数据作为 ALU 的一个原操作数 另一个原操作数则来自于寄存器组中的数 据寄存器 它们将一同被送往 ALU 的输入 ALU 的结果被写入寄存器组 中断包含微操作有 保护断点及现场 查找中断向量表以确定中断程序入口地址 修 改程序指针 执行完毕后恢复现场及断点 3 3 什么是什么是冯冯 诺伊曼计算机结构诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈的主要技术瓶颈 如何克服如何克服 冯 诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈是数据传输和指令串行执行 可以通过以下方 案克服 采用哈佛体系结构 存储器分层结构 高速缓存和虚拟存储器 指令流水线 超标 量等方法 3 5 指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能 指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合 其决定了一台计算机硬件主要 性能和基本功能 指令系统一般都包括以下几大类指令 1 数据传送类指令 2 运算类 指令 包括算术运算指令和逻辑运算指令 3 程序控制类指令 主要用于控制程序的流向 4 输入 输出类指令 简称 I O 指令 这类指令用于主机与外设之间交换信息 因而 其设计会影响到计算机系统如下性能 数据传送 算术运算和逻辑运算 程序 控制 输入 输出 另外 其还会影响到运算速度以及兼容等 3 9 某时钟速率为某时钟速率为 2 5GHz 的流水式处理器执行一个有的流水式处理器执行一个有 150 万条指令的程序万条指令的程序 流水线有流水线有 5 段段 并以每时钟周期并以每时钟周期 1 条的速率发射指令条的速率发射指令 不考虑分支指令和乱不考虑分支指令和乱 序执行带来的性能损失序执行带来的性能损失 a 同样执行这个程序同样执行这个程序 该处理器比非流水式处理器可能加速多少该处理器比非流水式处理器可能加速多少 b 此流水式处理器是吞吐量是多少此流水式处理器是吞吐量是多少 以以 MIPS 为单位为单位 a 5 1 p Tnm S Tmn 串 流水 速度几乎是非流水线结构的 5 倍 b 2500MIPS p n T T流水 2 5G 个指令 秒 3 10 一个时钟频率为一个时钟频率为 2 5 GHz 的非流水式处理器的非流水式处理器 其其平均平均 CPI 是是 4 此处理此处理 器的升级版本引入了器的升级版本引入了 5 级流水级流水 然而然而 由于如锁存延迟这样的流水线内部延由于如锁存延迟这样的流水线内部延 迟迟 使新版处理器的时钟频率必须降低到使新版处理器的时钟频率必须降低到 2 GHz 1 对一典型程序对一典型程序 新版所实现的加速比是多少新版所实现的加速比是多少 2 新新 旧两版处理器的旧两版处理器的 MIPS 各是多少各是多少 1 对于一个有 N 条指令的程序来说 非流水式处理器的总执行时间sNNT 99 0 106 1 105 2 4 5 级流水处理器的总执行时间 99 1 51 2 10 0 5 4 10TNNs 加速比 0 1 3 2 4 TN TN N 很大时加速比 3 2 2 非流水式处理器 CPI 4 则其执行速度 2500MHz 4 625MIPS 5 级流水处理器 CPI 1 则其执行速度 2000 MHz 1 2000 MIPS 3 11 随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么 详细说明各部件的作用详细说明各部件的作用 随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关 通过针对特定指令集进行 硬件的优化设计来得到逻辑门最小化的处理器 以此减小电路规模并降低制造费用 主要部件包括 产生程序地址的程序计数器 存储指令的指令寄存器 解释指令的控 制逻辑 存放数据的通用寄存器堆 以及执行指令的 ALU 等几个主要部分构成 3 13 什么是微代码体系结构什么是微代码体系结构 微指令的作用是什么微指令的作用是什么 在微码结构中 控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统 控制信号存放在一 个微程序内存中 指令执行过程中的每一个时钟周期 处理器从微程序内存中读取一个控制 字作为指令执行的控制信号并输出 微指令只实现必要的基本操作 可以直接被硬件执行 通过编写由微指令构成的微代 码 可以实现复杂的指令功能 微指令使处理器硬件设计与指令集设计相分离 有助于指令 集的修改与升级 并有助于实现复杂的指令 3 14 微码体系结构微码体系结构与随机逻辑体系结构有什么区别与随机逻辑体系结构有什么区别 1 指令集的改变导致不同的硬件设计开销 在设计随机逻辑结构时 指令集和硬件必须同步设计和优化 因此设计随机逻辑的结 构比设计微码结构复杂得多 而且硬件和指令集二者中任意一个变化 就会导致另外一个变 化 在微码结构中 指令设计通过为微码 ROM 编写微码程序来实现的 指令集的设计并不 直接影响现有的硬件设计 因此 一旦修改了指令集 并不需要重新设计新的硬件 2 从性能上比较 随机逻辑在指令集和硬件设计上都进行了优化 因此在二者采用相同指令集时随机逻 辑结构要更快一些 但微码结构可以实现更复杂指令集 因此可以用较少的指令完成复杂的 功能 尤其在存储器速度受限时 微码结构性能更优 3 15 说明流水线体系结构中的说明流水线体系结构中的 5 个阶段的操作个阶段的操作 能否把流水线结构分为能否把流水线结构分为 6 阶阶 段段 如果可能如果可能 试给出你的方案试给出你的方案 流水线若分为 5 个阶段应包括 取指 译码 取操作数 执行 数据回写 流水线若分为 6 个阶段应包括 取指 译码 取操作数 执行 存储器操作 数据回 写 补充题 1 有一条有一条 4 个段的线性流水线个段的线性流水线 各段的执行时间分别为各段的执行时间分别为 50ns 50ns 100ns 200ns 1 连续向流水线输入连续向流水线输入 6 条指令条指令 画出指令执行的时画出指令执行的时 空图空图 求该流求该流水线的实际吞吐率水线的实际吞吐率 和效率和效率 注意计算时需写出步骤注意计算时需写出步骤 2 该流水线的瓶颈在哪一个段该流水线的瓶颈在哪一个段 请采用两种不同的措施消除此瓶颈请采用两种不同的措施消除此瓶颈 画出两种改进画出两种改进 方法后执行方法后执行 6 条指令的时条指令的时 空图空图 1 6 5050100200 200 61 6 1000 4 29 1400 p TInstruction ns MIPSMIPS 6 5050100200 43 4 5050100200 61 200 E 3 方法一 将 100ns 和 200ns 拆分为两个 50ns 和四个 50ns 方法二 使用超标量的方法 引入 2 个独立部件执行 100ns 的操作 4 个独立部件 执行 200ns 的操作 两种方法 都使得每 50ns 流水线出来一条指令 不考虑流水线寄存器的影响 6 5050100200 50 61 6 1000 9 23 650 p TInstruction ns MIPSMIPS 6 5050100200 46 8 5050100200 61 50 E 2 某计算机指令系统中某计算机指令系统中 指令字长为指令字长为 12 位位 每个地址码长每个地址码长 3 位位 有三地址指令有三地址指令 4 条条 单地址指令单地址指令 255 条条 零地址指令零地址指令 16 条条 1 能否以扩展操作码为其编码能否以扩展操作码为其编码 说明其理由说明其理由 2 如果其中单地址指令为如果其中单地址指令为 254 条呢条呢 说明其理由说明其理由 1 三地址指令格式 XXX 表示 3bit 的地址码 000 XXX XXX XXX 011 XXX XXX XXX 25