计算机组成原理第六章

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1、* 、每第六章1 .控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为3种：同步控制方式、异步控 制方式和联合控制方式。同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期 中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。这种控制方式设计简单，容 易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大 数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。异步控制方式的各项 操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决 定，需要多少时间，就占用多少时间。异步控制方式没有时间上的浪 费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。联合控制方式是同 步控制和异步控制相结合的方式。2

2、.什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。计算机中每 个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节 拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。3 .控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什 么？解：控制器的基本功能有：（1）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。（2）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启 动规定的动作。(3) 指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间的数据流动。控 制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型3类，分类的依据在于控制器的核心微操作信号发生器(控制单元CU )的实现方法不

3、同。4 .中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU的基本功能就是对指令流和 数据流在时间与空间上实施正确的控制。对于冯诺依曼结构的计 算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是 由指令流来驱动的。中央处理器由运算器和控制器组成。5 .中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功 能。解：CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结 果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存 器两大类。通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以 作为变址寄存器、计数器、地址指针等。专用寄存器是专门用来完成 某一种

4、特殊功能的寄存器，如程序计数器PC、指令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR、 状态标志寄存器PSWR等。6 .某机CPU芯片的主振频率为8MHz，其时钟周期是多少ms ?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ms?(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 .4us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4 0万次/s的指令执行速度，则应采用主振频率 为多少MHz的CPU芯片？解：时钟周期=18MHz=0.125us(1) 平

5、均指令周期=1 ： 0 .8MIPS = 1 .25us(2) 机器周期=0.125usX4 = 0.5us平均每个指令周期的机器周期数=1.25us：0.5us：4 = 2.51(3)手均指令机行速度=一 =C.25IMIPSV 4 Z *X土 iW(4) 主振频率=4 MHz7 .以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的 取指周期和执行周期中的作用。(1) 程序计数器PC ；(2) 指令寄存器IR ；(3) 算术逻辑运算部件ALU ；(4) 存储器数据寄存器MDR ；(5) 存储器地址寄存器MAR。解：(1)程序计数器PC :存放指令地址；(2) 指令寄存器IR :存放当前指

6、令；(3) 算术逻辑运算部件ALU :进行算逻运算;（4）存储器数据寄存器MDR :存放写入或读出的数据/指令；（5）存储器地址寄存器MAR :存放写入或读出的数据/指令的地 址。以单地址指令“加1 （INC A）”为例，该指令分为3个周期： 取指周期、分析取数周期、执行周期。3个周期完成的操作如表6- 2所示。表心 1米令完虎的晓作收指周婀分析睨敢周购执行同期K：11(布学里onntALI(PC；,-!E1SI All指令地址A M A H指卜-sinu3 J皿鲜(418 .什么是指令周期？什么是CPU周期？它们之间有什么关 系？解：指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。CP

7、U周期（机器周期）是完成一个基本操作的时间。一个指令周期划 分为若干个CPU周期。9 .指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？解：指令和数据都存放在主存，它们都以二进制代码形式出现，区分的方法为：（1）取指令或数据时所处的机器周期不同：取指周期取出的是指 令；分析取数或执行周期取出的是数据。（2）取指令或数据时地址的来源不同：指令地址来源于程序计数 器；数据地址来源于地址形成部件。10 . CPU中指令寄存器是否可以不要？指令译码器是否能直接对 存储器数据寄存器MDR中的信息译码？为什么？请以无条件转移 指令JMP A为例说明。解：指令寄存器不可以不要。指令译码器不

8、能直接对MDR中的信 息译码，因为在取指周期MDR的内容是指令，而在取数周期MDR的内 容是操作数。以JMPA指令为例，假设指令占两个字，第一个字为操 作码，第二个字为转移地址，它们从主存中取出时都需要经过MDR， 其中只有第一个字需要送至指令寄存器，并且进行指令的译码，而第 二个字不需要送指令寄存器。11 .设一地址指令格式如下： OP A现在有4条一地址指令：LOAD （取数）、ISZ （加“1”为零 跳）、DSZ （减“1”为零跳）、STORE （存数），在一台单总线 单累加器结构的机器上运行，试排出这4条指令的微操作序列。要 求：当排ISZ和DSZ指令时不要破坏累加寄存器Acc原来的内

9、容。解：（1） LOAD （取数）指令PC MAR，READ;取指令MM MDRMDR IR，PC + 1 PCA MAR，READ；取数据送AccMM MDRMDR Acc（2） ISZ （加“1”为零跳）指令取指令微操作略。A MAR , READ；取数据送AccMM MDRMDR AccAcc + 1 Acc ；加1If Z = 1 then PC + 1 PC ；结果为 0 ,PC + 1Acc MDR , WRITE;保存结果MDR MMAcc 1 Acc;恢复 Acc(3) DSZ (减“1”为零跳)指令取指令微操作略。A MAR , READ；取数据送AccMM MDRMDR A

10、ccAcc 1 Acc ；减1If Z = 1 then PC + 1 PC ；结果为0 ,PC + 1Acc MDR ,WRITE；保存结果MDR MMAcc+ 1 Acc；恢复 Acc(4) STORE (存数)指令：取指令微操作略。A MAR； Acc中的数据写入主存单元Acc 一 MDR , WRITEMDR 一 MM12 .某计算机的CPU内部结构如图6唱2 2所示。两组总线之间 的所有数据传送通过ALU。ALU还具有完成以下功能的能力： F = A ； F = BF = A+1； F = B + 1F = A - 1 ； F = B - 1写出转子指令（JSR）的取指和执行周期的微

11、操作序列。JSR指令占 两个字，第一个字是操作码，第二个字是子程序的入口地址。返回地址保存在存储器堆栈中，堆栈指示器 始终指向栈顶。I516-22某机内部结枸解： PC B ,F = B ,F MAR , Read；取指令的第一个字 PC B ,F = B + 1 ,F PC MDR B ,F = B ,F IR PC B ,F = B ,F MAR , Read;取指令的第二个字 PC B,F = B + 1 ,F PC MDR B ,F = B,F Y SP B ,F = B 1 ,F SP ,F MAR ；修改栈 指针，返回地址压入堆栈 PC B ,F = B ,F MDR , Writ

12、e Y A ,F = A ,F PC;子程序的首地址一PC End13 .某机主要部件如图6-2 3所示。(1) 请补充各部件间的主要连接线，并注明数据流动方向。(2) 拟出指令ADD (R1 ) , (R2 ) +的执行流程(含取指 过程与确定后继指令地址)。该指令的含义是进行加法操作，源操 作数地址和目的操作数地址分别在寄存器R1和R2中，目的操作数 寻址方式为自增型寄存器间址。解：(1)将各部件间的主要连接线补充完后如图6-2 4所Zjo(2)指令 ADD (R1 ),(R2 ) +的含义为(R1 ) + (R2)(R2 )(R2 ) + 1 R2指令的执行流程如下：(PC) MAR；取

13、指令图卜某机牧据迎路MDRMAft Read M (MAR) 一 MDR 一 IR (PC) + 1 PC (R1 ) 一 MAR Read M (MAR) 一 MDR C (R2 ) 一 MAR Read M (MAR) 一 MDR D(R2 ) + 1 R2;取被加数;修改目的地址;求和并保存结(C) + (D) 一 MDRWriteMDR 一 MM14 . CPU结构如图6唱2 5所示，其中有一个累加寄存器AC、一个状态条件寄存器和其他4个寄存器，各部件之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。(1) 标明4个寄存器的名称。(2) 简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。(3) 简述

14、数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。解：(1)这4个寄存器中，a为存储器数据寄存器MDR , b为 指令寄存器IR，c为存储器地址寄存器MAR，d为程序计数器PC。(2)取指令的数据通路：PC MAR 一 MM MDR 一 IR(3) 数据从主存中取出的数据通路(设数据地址为X) : X MAR一 MM 一 MDR 一 ALU 一 AC数据存入主存中的数据通路(设数据地址为Y)：Y MAR，AC 一 MDR 一 MM15 .什么是微命令和微操作？什么是微指令？微程序和机器指令有何关系？微程序和程序之间有何关系?解：微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。微 操作是指计算机中最基本的、不可再分解的操作。微命令和微操作是 一一对应的，微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过 程。微令是若干个微命令的集合。微程序是机器指令的实时解释器， 每一条机器指令都对应一个微程序。微程序和程序是两个不同的概 念。微程序是由微指令组成的，用于描述机器指令，实际上是机器指 令的实时解释器，微程序是由计算机的设计者事先编制好并存放在控 制存储器中的，一般不提供给用户；程序是由机器指令组成的，由程 序员事先编制好并存放在主存储器中。16 .什么是垂直型微指令？什么是