第3章CPU构成习题参考解答.pdf

第 3 章思考题与习题参考答案 1 一个典型的 CPU 通常包括哪几个主要部分 各部分的作用是什么 答 一个典型的 CPU 通常包括 寄存器组 算术逻辑单元 控制器及内部总线 各部分作用如下 寄存器组 用于存放指令 指令地址 操作数及运算结果 它是 CPU 内部特别快速的 存储单元 算术逻辑单元 用于执行指令中所需的算术 逻辑和移位操作 控制器 产生一系列控制信号 以控制计算机中各部件从存储器中取出将要执行的指令 进行译码 然后执行该指令的操作 内部总线 在 CPU 内部 用于连接寄存器组 ALU 和 CU 为数据和控制信号的传输 提供通路 2 CPU 的功能具体包括哪几个方面 请详细说明 答 CPU 的功能具体包括 指令控制功能 操作控制功能 时间控制功能 数据加工 功能和处理中断功能等 各功能详细说明如下 指令控制 CPU 必须具有控制程序的执行顺序的功能 按照 存储程序控制 的概念 程序被装入主存后 计算机应能按其预先规定的顺序有序地执行 这样才能完成程序指定的 功能 操作控制 CPU 必须具有产生完成每条指令所需的控制命令的功能 一条指令的执行 需要计算机中的若干个部件协同工作 CPU 必须产生相应的控制命令传送给这些部件 并 能检测这些部件的状态 使他们有机的配合起来 共同完成指令的功能 时间控制 CPU 必须具有对各种操作实施时间上控制的能力 由于计算机高速地进行 工作 每一个动作的时间是非常严格的 不能有任何差错 因此对各种操作信号的产生时间 稳定时间 撤消时间及相互之间的关系都必须有严格的规定 才能保证计算机的正常工作 数据加工 CPU 必须具有对数据进行算术运算和逻辑运算的功能 数据加工处理是完 成程序功能的基础 它是 CPU 最基本的任务 处理中断 CPU 必须具有对异常情况和外来请求处理的功能 当机器出现某些异常情 况 诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等 或者某些外来请求 诸如设备完成 程序 员从键盘上送入命令等 那么 CPU 应能在执行完当前指令后 响应这些请求 3 计算机运行程序遵循什么样的一个循环过程 PC 寄存器和 IR 寄存器在这个过程中 起的作用是什么 答 计算机运行程序的过程遵循 取指 译码 执行 这样一个基本的循环过程 PC 寄存器在这个过程中用来保存下一条要取出指令的地址 当取出一条指令后 系统会修改 PC 寄存器的内容 使其指向下一条指令 当执行转移指令时 系统也会将要转移的地址送 入 PC 使系统始终按照 PC 寄存器内容所指的地址取指令 IR 寄存器在这个过程中用来保 存取指阶段取出的指令 并为指令译码提供相关的信息 取出的指令直到执行完一直呆在 IR 寄存器中 4 CPU 内部的数据通路可以采用几种不同的方式 对比单总线数据通路 双总线数据 通路和三总线数据通路 说明它们的优缺点 答 CPU 内部的数据通路可以采用单总线数据通路 双总线数据通路和三总线数据通 路几种不同的方式 单总线数据通路的优点是 总线结构简单 花费最小 缺点是 限制了在同一时钟周期 内数据传输的数量 从而降低了 CPU 总体的性能 双总线数据通路的优点是 对于两个操作数的操作 加快了数据到达 ALU 输入点的速 度 缺点是 增加了总线的数目 增加了硬件的复杂性 三总线数据通路的优点 在单一时钟周期可以将两个数据送到 ALU 的两个输入点 节 省了时间 提高了系统的效率 缺点 由于总线数量的增加使得硬件的复杂性随之增加 5 按照图 3 2 所示的单总线数据通路 写出 SUB R2 R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列 答 SUB R2 R3 这是一条减法指令 属于寄存器寻址方式 操作数和结果都存在寄 存器中 其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容 结果存入寄存器 R2 中 其指令流程 如表 3 25 表 3 25SUB R2 R3 指令单总线流程分析表 步骤微操作控 制 信 号解释 1 PC MAR PC 1 CPCOUT CPMAR EMAR RD 1 C B CPC 指令地址送到 MAR PC 内容和 1 相加后送 C 2 C PC M MAR MDRCOUT CPPC SMDR完成 PC 的修改 将读出的 指令送 MDR 3 MDR IRMDROUT CPIR将读出的指令送 IR 取指 阶段完成 4 R2 AR2OUT CPA将 R2 的内容送 A 5 A R3 CR3OUT SUB CPCA 减去 R3 结果送 C 6 C R2COUT CPR2将 C 的内容送 R2 6 按照图 3 3 所示的双总线数据通路 写出 SUB R2 R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列 答 SUB R2 R3 这是一条减法指令 属于寄存器寻址方式 操作数和结果都存在寄 存器中 其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容 结果存入寄存器 R2 中 其指令流程 如表 3 26 表 3 26SUB R2 R3 指令双总线流程分析表 步骤微操作控 制 信 号解释 1 PC MAR PC 1 CPCOUT1 CPMAR EMAR RD 1 CPC 指令地址送到 MAR PC 内容和 1 相加后送 C 2 C PC M MAR MDRCOUT CP2PC SMDR完成 PC 的修改 将读出的 指令送 MDR 3 MDR IRMDROUT1 CP1IR将读出的指令送 IR 取指 阶段完成 4 R2 R3 CR2OUT1 R3OUT2 SUB CPC R2 减去 R3 的内容后送 C 5 C R2COUT CP2R2将 C 的内容送 R2 7 按照图 3 4 所示的三总线数据通路 写出 SUB R2 R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列 答 SUB R2 R3 这是一条减法指令 属于寄存器寻址方式 操作数和结果都存在寄 存器中 其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容 结果存入寄存器 R2 中 其指令流程 如表 3 27 表 3 27SUB R2 R3 指令三总线流程分析表 步骤微操作控 制 信 号解释 1 PC MAR PC 1 PCPCOUT3 CPMAR EMAR RD 1 CP1PC 指令地址送到 MAR PC 内容和 1 相加后送 PC 2 M MAR MDRSMDR将读出的指令送 MDR 3 MDR IRMDROUT3 CP1IR将读出的指令送 IR 取指 阶段完成 4 R2 R3 R2R2OUT2 R3OUT3 ADD PC1R1 R2 减去 R3 的内容后送 R2 8 根据表 3 7 分析 参考表 3 8 说明此模型机有几种指令格式 答 模型机有如下 9 种指令格式 31272622 2117 160 OPrarbC2 指令 LOAD STORE LOADA ADDI ANDI 和 ORI 使用此格式 31272622 210 OPraC1 指令 LOADR STORER 和 LOADR 使用此格式 31272622 2117 1612 110 OPra未用rc未用 指令 NEG NOT 使用此格式 31272622 2117 1612 11320 OP未用rbrc未用C4 指令 BRxx 使用此格式 31272622 2117 1612 11320 OPrarbrc未用C4 指令 BRLxx 使用此格式 31272622 2117 1612 110 OPrarbrc未用 指令 ADD SUB AND 和 OR 使用此格式 31272622 2117 16540 OPrarb未用C3 指令 SHR SHRA SHL 和 ROL 当 C3 0 时 使用此格式 31272622 2117 1612 11540 OPrarbrc未用C3 指令 SHR SHRA SHL 和 ROL 当 C3 0 时 使用此格式 3127260 OP未用 指令 NOP 和 STOP 使用此格式 9 根据 3 3 1 模型机的指令系统 中列出的寻址方式 详细说明各寻址方式是怎 样寻址的 答 下面依次对各种寻址方式进行说明 1 寄存器寻址方式 操作数存放在寄存器中 机器直接从寄存器中取出数据进行操 作 例如 ADD R2 R3 R4 指令 在执行阶段 机器直接将 R3 和 R4 的内容送入运算器相 加 结果送入 R2 寄存器中 2 直接寻址 操作数存储在主存的地址单元中 在指令中指出了该单元的有效地址 寻址时 机器需要按指令指定的有效地址访存一次才能读出这个操作数 例如 LOAD R3 A 指令 在执行阶段 机器按 A 所指的有效地址访存一次读出操作数 并将这个操作数送 入 R3 寄存器中 3 立即数寻址 操作数就在指令字中 机器可直接从指令寄存器中取出操作数 例 如 ADDI R2 R3 10 指令 在执行阶段 机器从指令寄存器中取出这个操作数 10 和 R3 的内容在运算器中相加 结果送入 R2 寄存器中 4 相对寻址 在指令字中存放了相对地址 在寻址时 机器需要将这个相对地址与 PC 的值相加作为有效地址访存才能取出操作数 例如 LOADR R5 10 指令 在执行阶段 机器从指令寄存器中取出这个相对地址 10 和 PC 的内容在运算器中相加形成操作数的有效 地址 然后用这个有效地址去访存取出操作数 送入 R5 寄存器中 5 变址寻址 在指令字中存放了变址值 在寻址时 机器需要将这个变址值与指定 寄存器的值相加作为有效地址访存才能取出操作数 例如 LOAD R3 4 R5 指令 在执行 阶段 机器从指令寄存器中取出变址值 4 和 R5 的内容在运算器中相加形成操作数的有效 地址 然后用这个有效地址去访存取出操作数 送入 R3 寄存器中 10 在模型机中将指令周期分为哪几个工作周期 答 在模型机中将指令周期分为 6 个工作周期 即取指周期 FT 取源操作数周期 ST 取目的操作数周期 DT 执行周期 ET 中断响应周期 IT 和 DMA 传送周期 DMAT 11 三级时序系统中的三级是指哪三级 每一级的作用是什么 答 三级时序系统中的三级是指工作周期 又称为机器周期或 CPU 周期 节拍和脉冲 这三级 通常把指令周期分为几个工作阶段 每个工作阶段也称为一个工作周期 每个工作周期 完成一个基本操作 例如 取指周期完成取指操作 取源操作数周期完成取源操作数操作 执行周期完成具体的运算操作等 把一个工作周期等分成若干个时间区间 每一时间区间称为一个节拍 一个节拍对应一 个电位信号 控制一个或几个微操作的执行 在一个节拍内 有时需要设置一个或几个工作脉冲 用于寄存器的复位和接收数据等 12 某机 CPU 的主频为 8MHz 其时钟周期是多少微秒 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 试问 1 平均指令周期是多少微秒 2 平均每个指令周期含有多少个机器周期 3 若改用时钟周期为 0 4 s 的 CPU 芯片 则计算机的平均指令执行速度又是多少 MIPS 4 若要得到 40 万次 s 的指令执行速度 则应采用主频为多少 MHz 的 CPU 芯片 解 时钟周期 1 主频 1 8 0 125 s 机器周期 0 125 4 0 5 s 平均指令周期 1 平均指令执行速度 1 0 8 1 25 s 平均每个指令周期含有的机器周期数 平均指令周期 机器周期 1 25 0 5 2 5 若改用时钟周期为 0 4 s 的 CPU 芯片 即主频 1 0 4 2 5MHz 则根据平均指令速 度与机器主频之间的关系 得平均指令执行速度为 0 8MIPS 2 5MHz 8MHz 0 25 MIPS 若要得到 40 万次 s 的指令执行速度 即 0 4MIPS 则 CPU 芯片的主频应为 8MHz 0 4MIPS 0 8MHz 4MHz 13 指令和数据都存放在主存中 计算机在执行程序时是怎样区分哪个地址单元存的是 指令 哪个地址单元存的是数据 答 首先从空间上 将指令和数据在主存中分开存放 另一方面 在时间上将一条指令 的执行分为多个工作周期 取指令是在取指周期按程序计数器 PC 的内容所指定的地址访存 来取出的 当取出一条指令后 PC 的值自动增量而指向下一条指令 使 PC 中始终存的是 下一条指令的地址 取数据是在取操作数周期按指令规定的寻址方式计算出数据存放的有效 地址 然后再用这个有效地址访存取出数据的 这样计算机就能在执行程序时区分主存中哪 个单元存的是指令 哪个单元存的是数据 14 控制不同操作序列时序信号的方式分为哪几种 答 控制不同操作序列时序信号的方式分为同步控制方式 异步控制方式 联合控制方 式和人工控制方式等 15 根据 3 3 3 模型机主要组成部分的门级设计及控制信号 部分所提供的几个逻 辑图 写出 SUB 指令的微操作流及控制信号流程表 答 减法指令的功能是用寄存器R rb 的内容减去寄存器 R rc 的内容 将结果存到 R ra 寄存器中 其微操作序列及控制信号如表 3 28 表 3 28 减法指令 SUB 的微操作流及控制信号流程表 节拍微操作序列控制信号 FT0MA PC C PC 4 PCout MAin INC4 Cin FT1MD M MA PC C MDrd Strobe Read Cout PCin FT2IR MD MDout IRin ET0A R rb Grb Rout Ain ET1C A R rc Grc Rout SUB Cin ET2R ra C Cout Gra Rin 16 根据 3 3 3 模型机主要组成部分的门级设计及控制信号 部分所提供的几个逻 辑图 写出 SHL 指令的微操作流及控制信号流程表 答 逻辑左移指令首先判断 C3 即 IR 的值 若为零 则以 R rc 的值作 为逻辑左移的位数 n 否则以 IR的值作为逻辑左移的位数 n 然后将 R rb 的内容逻辑 左移 n 位 结果送到 R ra 其微操作序列及控制信号如表 3 29 表 3 29 逻辑左移指令 SHL 的微操作及控制信号流程表 节拍微操作序列控制信号 FT0MA PC C PC 4 PCout MAin INC4 Cin FT1MD M MA PC C MDrd Strobe Read Cout PCin FT2IR MD MDout IRin ET0n IR 0 R rc IR 0 IR Grc Rout Ld ET1C R rb Grb Rout C B Cin ET2Shl n 0 C C 0 n n 1 Shl n 0 Cout SHL Cin Decr Goto ET2 注 Goto ET2 为一个控制节拍发 生器的信号 ET3R ra C Cout Gra Rin 17 组合逻辑控制器的设计分为哪几步 每步的具体内容是什么 答 组合逻辑控制器的设计分为编排控制信号时间表 根据控制信号时间表写出各控制 信号的逻辑表达式和画控制信号的逻辑图三步 编排控制信号时间表的具体内容是将每条指令的控制信号归纳成一张控制信号时间表 表的每一列为指令的名称 表的每一行为各工作周期中节拍及各节拍中的控制信号 表的行 列交叉处用 1 表示该行左边的控制信号在该列上边的指令中出现 用 0 表示没有出现 根据控制信号时间表写出各控制信号的逻辑表达式的具体内容是对于每一个控制信号 找出它在控制信号时间表中的每一个出现位置 记住与此位置相关的指令及周期与节拍 然 后将它们之间的关系用与或逻辑表达式表示出来 画控制信号的逻辑图的具体内容是根据各控制信号的逻辑表达式画出相应的逻辑图 18 根据 表 3 17 写出控制信号 MDOUT的逻辑表达式及逻辑图 答 首先从教材 表 3 17 中找出控制信号 MDOUT的出现位置 控制信号 MDOUT在 表中共有两次出现 一次是在取指周期 FT 的 T3 节拍 取每一条指令都出现 另一次是在 执行周期 ET 的 T0 节拍 执行 LOAD 指令时出现 然后将这两次出现写成与或逻辑表达式 如下 MDOUT FT T2 ET T0 LOAD 这是一个比较简单的逻辑表达式 最后根据这个表达式画出逻辑图如下 19 什么是组合逻辑控制 什么是微程序控制 它们的特点是什么 答 组合逻辑控制又称为硬连线控制 它将控制部件看作产生固定时序控制信号的逻辑 电路 而此逻辑电路以使用最少的元件和取得最高操作速度为设计目标 微程序控制是将机 器指令的操作分解为若干个更基本的微操作序列 并将有关的控制信号 微命令 以微码形 式编成微指令输入到控制存储器中 这样 每条机器指令将与一段微程序对应 取出微指令 就产生微命令 实现机器指令要求的信息传送与加工 微程序控制又称为存储逻辑控制 组合逻辑控制速度快 但设计不规整 不可调整 难以形式化 微程序控制设计规整 可调整 可形式化 但速度慢 20 解释名词 微命令 微操作 微指令 微周期 微程序 微程序设计 答 名词解释如下 微命令 就是控制信号 它由控制器通过控制线发向各个被控制的部件 例如 打开或 关闭某个控制门的电位信号 某个寄存器的打入脉冲等 微操作 是由微命令控制实现的最基本的操作过程 微指令 以二进制编码形式存放在控制存储器的一个单元中 用来实现指令中的某一步 操作 微指令由三个部分组成 控制信号字段 分支地址字段及分支控制字段 微周期 通常指从控制存储器中读取一条微指令并执行相应的微操作所需的时间 微程序 一个有序的微指令序列 微程序设计 是将传统的程序设计方法运用到控制逻辑的设计中 在微程序中也可以有 0 0 0 0 0 00 1 0 0 0 FT T2 ETT0 LOAD MDout 微子程序 循环 分支等结构 21 什么是微指令的编码 它共有哪几种方式 答 微指令的编码方式又叫做微指令的控制方式 它是指如何对微指令的控制信号字段 进行编码 以形成控制信号 微指令的编码方式有 直接编码 直接控制 方式 字段直接编码方式和字段间接编码 方式 22 控制存储器和主存的区别是什么 答 控制存储器用来存放实现全部指令系统的所有微程序 它通常是一种只读型存储器 一旦微程序固化 机器运行时则只读不写 系统从控制存储器中读出一条微指令就相当于产 生了一组相关的控制信号 因此 控制存储器属于控制器的一部分 而主存中存放程序和数 据 它为 CPU 的运行提供要执行的机器指令和数据并接收运行的结果 它还可以和外存动 态交换程序和数据 主存是一种随机读写存储器 23 结合 图 3 19 说明微程序对一条机器指令的解释执行过程 答 完成一条机器指令要经过取指和执行两个阶段 首先将取指微程序的首地址送至 PC 读出该条微指令 并送至微指令寄存器 此时 微指令的控制信号字段发出各种控制信号 微命令 同时由微指令中的多路控制 Mux 和条 件字段控制多路器选择增量器这一路 顺序取出下一条微指令 然后重复取微指令 执行微 指令的操作 直到按 PC 指出的单元中的指令读至 IR 并自动修改后继指令地址 这一过程 为取指阶段 接着 由取指微程序的最后一条微指令的多路控制 Mux 和条件字段控制多路器选择指 令操作码映像地址这一路 形成该机器指令的微程序首地址并送至 PC 读出该条微指令 并送至微指令寄存器 此时 微指令的控制信号字段发出各种控制信号 微命令 同时由 微指令中的多路控制 Mux 和条件字段控制多路器的选择 取出下一条微指令 然后重复取 微指令 执行微指令的操作 直到该机器指令的全部微指令执行完毕 并指出取指微程序的 首地址 这一过程为机器指令的执行阶段 24 某机有 5 条微指令 每条微指令发出的控制信号如表 3 24 所示 采用直接控制方 式设计微指令的控制字段 要求其位数最少 而且保持微指令本身的并行性 表 3 24 指令 I1 I5的控制信号 激活的控制信号 微指令 abcdefghij I1 I2 I3 I4 I5 解 由表 3 24 可知 控制信号 e g i 仅在微指令 I1中同时出现 可合并用 1 位控制 字段表示 控制信号 b h 仅在微指令 I2中同时出现 也可合并用 1 位控制字段表示 这样 10 个控制信号可压缩到 7 个 其格式如下 abhcgidefI 1234567 25 说明微程序的编写过程 答 首先要设计微指令的格式 就可以按照教材 3 3 4 指令流程及控制信号序列 中所列出的控制信号序列来编写微程序了 每行控制信号序列对应一条微指令 编写时首先 要找出本行各控制信号在微指令格式中的分组及编码 然后将编码填入该分组中 无对应控 制信号的分组选择 None 的编码 对于多路控制 分支控制及分支地址中的内容根据编写微 程序的需要而定 26 按照 表 3 19 所提供的微指令格式 写出 ADD 指令的微程序 解 首先按照教材 表 3 10 加法指令 ADD 的微操作流及控制信号流程表 将 ADD 指令的控制信号填入 表 3 19 所提供的微指令格式中 然后填写剩余字段内容 得下表 多路分支输出输入选通ALU其他分支地址 最后 根据 表 3 19 微指令格式中各字段的编码描述 将上表中的控制信号换成二 进制编码 即得 ADD 指令的微程序如下 00 101 011 011 01 1111 111 0000000000 00 101 011 111 10 0000 101 0000000000 11 000 001 100 000 1111 111FT0 地址 27 什么是 RISC 机 什么是 CISC 机 它们各自的特点是什么 答 RISC 机指精简指令系统计算机 CISC 机指复杂指令系统计算机 RISC 机的特点如下 一个时钟周期完成一条指令 固定的指令长度 通常为一个字 仅 LOAD 和 STORE 指令访问内存 采用简单的寻址方式 通常为 2 3 种简单的寻址方式 指令数量少 且简单 CPU 中通用寄存器数量相当多 控制器设计以组合逻辑设计为主 不用或少用微指令控制 一般用高级语言编程 特别重视编译优化工作 并采用指令流水线调度 CISC 机的特点如下 指令系统复杂庞大 指令数目一般多达 200 300 条 寻址方式多 指令格式多 指令字长不固定 可访存指令不受限制 各种指令使用频率相差很大 各种指令执行时间相差很大 大多数采用微程序控制器 28 什么是指令流水 画出指令的四级流水结构图 答 计算机中的指令流水线类似于工厂中的生产流水线 它将一条指令的执行过程分成 大致相等的几个子过程 每一个子过程由一个部件来完成 让指令在各个子过程连成的线路 上连续流动 这样所有部件并行工作 同时执行多条指令 就会大大