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1、CPUCPU的结构和功能的结构和功能第第 八八 章章|作业题：|2，7，8，11，12，17，18， 23，24，25，26，272. 2. 什么是什么是指令周期指令周期？指令周期是否有？指令周期是否有 一个一个固定值固定值？为什么？为什么？解：指令周期是指一条指令从解：指令周期是指一条指令从开始取开始取 指令直到指令执行完指令直到指令执行完这段时间。这段时间。由于计算机中各种指令执行所需的时由于计算机中各种指令执行所需的时 间差异很大，因此间差异很大，因此为了提高为了提高CPUCPU运行效率运行效率 ，即使在，即使在同步控制同步控制的机器中，不同指令的的机器中，不同指令的 指令周期长度都是指
2、令周期长度都是不一致不一致的，也就是说指的，也就是说指 令周期对于不同的指令来说令周期对于不同的指令来说不是一个固定不是一个固定 值值。讨论：讨论：指令周期长度不一致的指令周期长度不一致的根本原根本原 因因在于设计者，为了提高在于设计者，为了提高CPUCPU运行效率而运行效率而 这样安排的，与这样安排的，与指令功能不同指令功能不同及及指令实际指令实际 执行时间不同执行时间不同没有什么必然关系没有什么必然关系。|7. 答案见课本第346页|系统的并行性。|粗粒度并行和细粒度并行的区 别。|8.答案见课本第346-347页|指令流水，二级流水示意图见 课本图8.14。|11.解：|(1) 流水线的
3、时钟周期应取完 成各步操作的时间中最大的即 90ns|(2) 若相邻的指令发生数据相 关，则第2条指令的ID应在第1 条指令的WR之后，即应该推 迟两个时钟周期:90ns*2=180ns|(3) 可采取定向技术，又称为 旁路技术。(P351)|12.解：由题意可知，时钟周期应取 10ns，即t=10ns, 指令条数n=12，指令 流水段数m=5，于是得，采用流水线需 时间T=m*t+(n-1) t=(m+n-1) t=(5+12-1) *10ns=160ns等效的非流水线需时间T =12*(10+8+10+10+7)ns=540ns 故加速比为SP = T /T=540ns/160ns=3.3
4、75 实际吞吐率为TP =n/T=12/160ns=7.5*107 条指令/秒17. 17. 在中断系统中，在中断系统中，INTRINTR、INTINT、 EINTEINT这三个触发器各有何作用？这三个触发器各有何作用？解：解：INTRINTR中断请求触发器，中断请求触发器，用用 来来登记登记中断源发出的随机性中断请求信号中断源发出的随机性中断请求信号 ，以便为，以便为CPUCPU查询中断及中断排队判优线查询中断及中断排队判优线 路提供路提供稳定的稳定的中断请求信号；中断请求信号；EINTEINT中断允许触发器，中断允许触发器，CPUCPU中中 的的中断总开关中断总开关。当。当EINT=1EI
5、NT=1时，表示允许时，表示允许 中断（开中断），当中断（开中断），当EINT=0EINT=0时，表示禁时，表示禁 止中断（关中断）。其状态可由开、关中止中断（关中断）。其状态可由开、关中 断等指令设置；断等指令设置； INTINT中断标记触发器，中断标记触发器，控制器控制器时时 序系统序系统中周期状态分配电路的一部分，表中周期状态分配电路的一部分，表 示示中断周期标记中断周期标记。当。当INT=1INT=1时，进入中断时，进入中断 周期，执行周期，执行中断隐指令中断隐指令的操作。的操作。讨论：讨论：回答时首先应给出该触发器的回答时首先应给出该触发器的中文名中文名 称称，然后说明其，然后说明其
6、主要作用主要作用。 当进入中断周期时，当进入中断周期时，INT=1INT=1； （INT=1INT=1时，进入中断周期）时，进入中断周期） INTINT与与EINTEINT配合使用以实现关中断功配合使用以实现关中断功 能，即能，即INT=1INT=1，反相后使，反相后使EINT=0EINT=0； （关中断并不是（关中断并不是INTINT的主要功能，进入中的主要功能，进入中 断周期后要执行断周期后要执行中断隐指令的全部三个功中断隐指令的全部三个功 能能） INTINT表示自愿中断，完成系统调用；表示自愿中断，完成系统调用； （尽管（尽管INTINT触发器的英文缩写与触发器的英文缩写与INTINT
7、指令指令 助记符完全相同，但它们一个是助记符完全相同，但它们一个是硬件设置硬件设置 ，一个是，一个是软中断指令软中断指令，其作用完全不同），其作用完全不同） INTINT标记目前是否正在运行中断程序标记目前是否正在运行中断程序 ； （INTINT标记在运行中断程序时已不存在）标记在运行中断程序时已不存在） INTINT表示处于中断状态中；表示处于中断状态中； （INTINT并不是在整个中断过程中都存在）并不是在整个中断过程中都存在） INTINT判断中断过程中是否接受其它中判断中断过程中是否接受其它中 断请求，断请求，INT=0INT=0时，开中断，允许中断嵌时，开中断，允许中断嵌 套；套；
8、（INTINT标记与中断嵌套技术没有任何关系标记与中断嵌套技术没有任何关系 。它不能表示出中断过程中是否接受其。它不能表示出中断过程中是否接受其 它中断请求，它中断请求，INT=0INT=0也不表示开中断）也不表示开中断） EINTEINT判断判断CPUCPU是否响应中断请求；是否响应中断请求； （CPUCPU根据根据EINTEINT状态决定是否响应中断请状态决定是否响应中断请 求）求） 当当CPUCPU响应中断时，响应中断时，EINTEINT置置1 1； （当（当EINT=1EINT=1时，允许时，允许CPUCPU响应中断）响应中断） EINTEINT确保确保CPUCPU响应中断后，不受新响
9、应中断后，不受新 的中断干扰；的中断干扰； （CPUCPU响应中断在先，进入中断周期后响应中断在先，进入中断周期后 才使才使EINT=0EINT=0，仅在单重中断时，整个中，仅在单重中断时，整个中 断过程保持断过程保持EINT=0EINT=0，不接受新的中断请，不接受新的中断请 求）求） EINTEINT表示中断隐指令，表示中断隐指令，INTINT起关中起关中 断作用；断作用； （把（把EINTEINT和和INTINT的作用搞反了）的作用搞反了） INTR=1INTR=1，判断哪个中断源有请求；，判断哪个中断源有请求； （INTRINTR对中断源的请求进行登记，当对中断源的请求进行登记，当 I
10、NTR=1INTR=1时，表示有请求）时，表示有请求）|18.答案见于课本第363页|中断隐指令及其功能|23. 答案见于课本第364页|保护现场的任务及其实现24. 24. 现有现有A A、B B、C C、D D四个中断源，其优先级由高四个中断源，其优先级由高 向低按向低按A AB BC CD D顺序排列。若中断服务程序的执顺序排列。若中断服务程序的执 行时间为行时间为2020ss，请根据下图所示时间轴给出的中断源，请根据下图所示时间轴给出的中断源 请求中断的时刻，画出请求中断的时刻，画出CPUCPU执行程序的轨迹。执行程序的轨迹。解：解： CPUCPU执行程序的轨迹图如下：执行程序的轨迹图
11、如下：A A服务服务B B服务服务C C服务服务D D服务服务 现行程序现行程序0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150100 110 120 130 140 150 t( t(s)s) B B与C C请求 D D请求 B B请求 A A请求这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了 中断响应时间。25. 25. 设某机有设某机有五个五个中断源中断源L L0 0、L L1 1、L L2 2、 L L3 3、L L4 4， 按中断响应的优先次序按中断响应的优先次序由高向低排序
12、由高向低排序为为L L0 0L L1 1 L L2 2 L L3 3 L L4 4，现要求中断处理次序改为，现要求中断处理次序改为L L1 1L L4 4 L L2 2 L L0 0 L L3 3，根据下面的格式，写出各中断源的，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字屏蔽字。解：各中断源屏蔽状态见下表：解：各中断源屏蔽状态见下表：中中 断断 源源屏屏 蔽蔽 字字0 1 2 3 40 1 2 3 4L L0 0L L1 1 L L2 2L L3 3 L L4 41 0 0 1 0 1 0 0 1 01 1 1 1 11 1 1 1 11 0 1 1 01 0 1 1 00 0 0 1 00 0 0
13、 1 01 0 1 1 1 1 0 1 1 1表中：设屏蔽位表中：设屏蔽位=1=1表示表示屏蔽屏蔽，屏蔽，屏蔽 位位=0=0表示中断表示中断开放开放。为了使所有中断都能得到及时响应为了使所有中断都能得到及时响应 ，现行程序的中断屏蔽字一般设为，现行程序的中断屏蔽字一般设为全开全开 放放（全全0 0）状态。）状态。讨论：讨论：按照修改过的优先次序，当按照修改过的优先次序，当 五个中断请求信号同时到来五个中断请求信号同时到来时，时，CPUCPU中中 断处理过程如下图：断处理过程如下图：图中括号内为各程序的屏蔽码。图中括号内为各程序的屏蔽码。注意：注意：中断屏蔽码的判优作用体现中断屏蔽码的判优作用体
14、现 在对低级中断请求的在对低级中断请求的屏蔽屏蔽上，对于多个上，对于多个 同时到来的高级中断请求信号之间则同时到来的高级中断请求信号之间则只只 有开放有开放作用，作用，没有判优没有判优作用。此时还需作用。此时还需 依赖依赖硬件排队线路硬件排队线路完成进一步的判优。完成进一步的判优。现行程序（现行程序（0000000000）五级中断请求同时到来。L L0 0中断服务（中断服务（1001010010）保存现场保存现场开中断开中断L L1 1中断服务（中断服务（1111111111）执行一条指令执行一条指令中断返回中断返回L L2 2中断服务（中断服务（1011010110）中断返回中断返回L L4 4中断服务中断服务（1011110111）中断返回中断返回关中断关中断 恢复现场恢复现场执行一执行一 条指令条指令L
