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1、控制单元控制单元CUCU第第 九九 章章3. 3. 什么是什么是指令周期指令周期、机器周期机器周期和和 时钟周期时钟周期？三者有何关系？三者有何关系？解：解：CPUCPU每取出并执行一条指令每取出并执行一条指令 所需的全部时间叫所需的全部时间叫指令周期指令周期；机器周；机器周 期是在同步控制的机器中，执行指令期是在同步控制的机器中，执行指令 周期中一步相对完整的操作（指令步周期中一步相对完整的操作（指令步 ）所需时间，通常安排）所需时间，通常安排机器周期长度机器周期长度= = 主存周期主存周期；时钟周期是指计算机主时；时钟周期是指计算机主时 钟的周期时间，它是计算机运行时最钟的周期时间，它是计
2、算机运行时最 基本的时序单位，对应完成一个微操基本的时序单位，对应完成一个微操 作所需时间，通常作所需时间，通常时钟周期时钟周期= =计算机主计算机主 频的倒数。频的倒数。14144. 4. 能不能说能不能说CPUCPU的的主频越快主频越快，计，计 算机的运行算机的运行速度就越快速度就越快？为什么？为什么？解：解：不能说不能说机器的主频越快，机器机器的主频越快，机器 的速度就越快。因为机器的速度的速度就越快。因为机器的速度不仅与不仅与 主频有关主频有关，还与数据通路结构、时序分，还与数据通路结构、时序分 配方案、配方案、ALUALU运算能力、指令功能强运算能力、指令功能强 弱等多种因素有关，要
3、看弱等多种因素有关，要看综合效果。综合效果。5. 5. 设机器设机器A A的的CPUCPU主频为主频为8MHz8MHz， 机器周期含机器周期含4 4个个时钟周期，且该机的平时钟周期，且该机的平 均指令执行速度是均指令执行速度是0.4MIPS0.4MIPS，试求该机，试求该机 的的平均指令周期和机器周期平均指令周期和机器周期，每个指令，每个指令 周期中含周期中含几个几个机器周期？如果机器机器周期？如果机器B B的的 CPUCPU主频为主频为12MHz12MHz，且机器周期也含，且机器周期也含4 4 个个时钟周期，试问时钟周期，试问B B机的机的平均指令执行平均指令执行 速度速度为多少为多少MIP
4、S?MIPS?解：先通过解：先通过A A机的机的平均指令执行速平均指令执行速 度度求出其求出其平均指令周期平均指令周期，再通过，再通过主频主频求求 出出时钟周期时钟周期，然后进一步求出，然后进一步求出机器周期机器周期 。B B机参数的算法与机参数的算法与A A机类似。机类似。计算如下：计算如下：A A机平均指令周期机平均指令周期=1/0.4MIPS=1/0.4MIPS=2.52.5ssA A机时钟周期机时钟周期=1/8MHz=125ns=1/8MHz=125ns A A机机器周期机机器周期=125ns=125ns4=500ns=4=500ns=0.5s0.5s A A机每个指令周期中含机器周期
5、个数机每个指令周期中含机器周期个数=2.5=2.5s0.5s=s0.5s=5 5个个 B B机时钟周期机时钟周期 =1/12MHz =1/12MHz 83ns83ns B B机机器周期机机器周期 =83ns=83ns4 =332ns4 =332ns设设B B机每个指令周期也含机每个指令周期也含5 5个机器个机器 周期，则：周期，则： B B机平均指令周期机平均指令周期=332ns=332ns5=1.66s5=1.66s B B机平均指令执行速度机平均指令执行速度=1/=1/1.66s1.66s= =0.6MIPS0.6MIPS结论结论：主频的提高：主频的提高有利于有利于机器执机器执 行速度的提
6、高。行速度的提高。6. 6. 设某计算机的设某计算机的CPUCPU主频为主频为 8MHz8MHz，每个机器周期平均含，每个机器周期平均含2 2个个时钟时钟 周期，每条指令平均有周期，每条指令平均有4 4个个机器周期，机器周期， 试问该计算机的试问该计算机的平均指令执行速度平均指令执行速度为为 多少多少MIPSMIPS？若？若CPUCPU主频主频不变不变，但每个，但每个 机器周期平均含机器周期平均含4 4个个时钟周期，每条指时钟周期，每条指 令平均有令平均有4 4个个机器周期，则该机的机器周期，则该机的平均平均 指令执行速度指令执行速度又是多少又是多少MIPSMIPS？由此可？由此可 得出什么得
7、出什么结论结论？解：先通过主频求出解：先通过主频求出时钟周期时钟周期， 再求出再求出机器周期机器周期和和平均指令周期平均指令周期，最，最 后通过平均指令周期的后通过平均指令周期的倒数倒数求出平均求出平均 指令执行速度。计算如下：指令执行速度。计算如下：时钟周期时钟周期=1/8MHz=0.125=1/8MHz=0.1251010-6-6 =125ns=125ns 机器周期机器周期=125ns=125ns2=250ns2=250ns 平均指令周期平均指令周期= =250ns4=1000ns=1s250ns4=1000ns=1s 平均指令执行速度平均指令执行速度=1/=1/1s=1MIPS 1s=1
8、MIPS 当参数改变后：当参数改变后： 机器周期机器周期= 125ns= 125ns4=500ns=0.5s 4=500ns=0.5s 平均指令周期平均指令周期= =0.5s4=2s0.5s4=2s 平均指令执行速度平均指令执行速度=1/2=1/2s=0.5MIPSs=0.5MIPS结论：结论：两个主频相同的机器，执行两个主频相同的机器，执行 速度速度不一定一样不一定一样。7. 7. 某某CPUCPU的主频为的主频为10MHz10MHz，若已，若已 知每个机器周期平均包含知每个机器周期平均包含4 4个个时钟周期时钟周期 ，该机的平均指令执行速度为，该机的平均指令执行速度为1MIPS1MIPS
9、，试求该机的，试求该机的平均指令周期平均指令周期及每个指及每个指 令周期含几个令周期含几个机器周期机器周期？若改用时钟？若改用时钟 周期为周期为0.40.4ss的的CPUCPU芯片，则计算机的芯片，则计算机的 平均指令执行速度平均指令执行速度为多少为多少MIPSMIPS？若要？若要 得到平均每秒得到平均每秒8080万次万次的指令执行速度的指令执行速度 ，则应采用，则应采用主频主频为多少的为多少的CPUCPU芯片？芯片？解：先通过解：先通过主频主频求出求出时钟周期时钟周期时时 间，再进一步求出间，再进一步求出机器周期机器周期和和平均指平均指 令周期。令周期。时钟周期时钟周期=1/10MHz=0.
10、1=1/10MHz=0.11010-6-6=100ns=100ns机器周期机器周期=100ns=100ns4=400ns=0.4s4=400ns=0.4s平均指令周期平均指令周期=1/1MIPS=1/1MIPS=1 =11010-6-6= =1s1s每个指令周期所含机器周期个数每个指令周期所含机器周期个数= = 1s/0.4s=1s/0.4s=2 2.5 .5个个 当芯片改变后，相应参数变为：当芯片改变后，相应参数变为：机器周期机器周期=0.4=0.4 s s4=1.6s4=1.6s平均指令周期平均指令周期= =1.6s2.5=4s 1.6s2.5=4s 平均指令执行速度平均指令执行速度=1/
11、4=1/4ss= =0.25MIPS0.25MIPS若要得到平均每秒若要得到平均每秒8080万次的指令万次的指令 执行速度，则应采用的主频为：执行速度，则应采用的主频为：平均指令周期平均指令周期=1/0.8MIPS=1/0.8MIPS=1.25 =1.25 1010-6-6=1.25s=1.25s机器周期机器周期=1.25=1.25 s s2.5=0.5s2.5=0.5s时钟周期时钟周期= = 0.5s40.5s4=0.125=0.125ss主频主频=1/0.125=1/0.125s=8MHzs=8MHz应应应应采用主采用主频为频为频为频为 8MHz8MHz的的CPUCPU芯片芯片 。8. 8
12、. 某计算机的主频为某计算机的主频为6MHz6MHz，各类指令的平均执行，各类指令的平均执行 时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单 位用位用MIPSMIPS表示），若上述表示），若上述CPUCPU芯片升级为芯片升级为10MHz10MHz， 则该机的运行速度又为多少？则该机的运行速度又为多少？指令类别指令类别 存取存取 加、减、比较、转移加、减、比较、转移 乘除乘除 其他其他 平均指令平均指令 执行时间执行时间 0.60.6 s 0.8s 0.8 s 10s 10 s 1.4s 1.4 s s 使用频度使用频度 35% 45% 5% 15%
13、35% 45% 5% 15%解：指令平均运行时间解：指令平均运行时间 = =（0.60.350.60.35+0.80.45+100.05+1.40.15 +0.80.45+100.05+1.40.15） s s = 0.21+0.36+0.5+0.21 = 1.28 = 0.21+0.36+0.5+0.21 = 1.28 s s机器平均运行速度机器平均运行速度 = 1/1.28= 1/1.28 s = s = 0.78125MIPS0.78125MIPSCPUCPU芯片升级后，机器平均运行速度计算：芯片升级后，机器平均运行速度计算：方法一：方法一：0.78125MIPS(10MHz/ 6MHz
14、)0.78125MIPS(10MHz/ 6MHz) 1.3MIPS1.3MIPS方法二：方法二：时钟周期时钟周期 = 1/6MHz= 1/6MHz 0.166670.16667 s s指令平均运行周期数指令平均运行周期数= =1.281.28 s/0.16667s/0.16667 s s7.687.68CPICPI升级后时钟周期升级后时钟周期 = 1/10MHz 0.1= 1/10MHz 0.1 s s指令平均运行时间指令平均运行时间 0.10.1 s7.680.768s7.680.768 s s机器平均运行速度机器平均运行速度 1/0.7681/0.768 ss1.3MIPS1.3MIPS11. 11. 设设CPUCPU内部结构如图内部结构如图9.49.4所示所示 ，此外还设有，此外还设有B B、C C、D D、E E、HH、L L六六 个寄存器，它们各自的个寄存器，它们各自的输入和输出端输入和输出端 都与内部总线相通，并分别受控制信都与内部总线相通，并分别受控制信 号号控制控制（如（如B Bi i为寄存器为寄存器B B的输入控制；的输入控制；B Bo o为寄存器为寄存器B B的输出控制）。要求从的输
