計(jì)算機(jī)組成原理第5章習(xí)題參考答案

1、第5章習(xí)題參考答案1 .請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)內(nèi)填入適當(dāng)答案.在CPU中：保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的存放器是IR;2保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址的存放器是AR算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在DR和通用存放器.2 .參見(jiàn)圖的數(shù)據(jù)通路.畫(huà)出存數(shù)指令"STORl,R2的指令周期流程圖,其含義是將存放器Rl的內(nèi)容傳送至R2歷地址的主存單元中.標(biāo)出各微操作信號(hào)序列.4總線E總線解：STOR1,R2指令流程圖及為操作信號(hào)序列如下:STOR1,(R2)(PC)-AR(M)-DR(DR)-IR(R2)fAR(R1)fDR(DR)-MPCo,G,ARiR/W=RDRo,G,IRiR20,G,ARiR10,G,DRiR/W=W3

2、 .參見(jiàn)圖的數(shù)據(jù)通路,畫(huà)出取數(shù)指令Lad(R3),R0的指令周期流程圖,其含義是將(R3)為地址主存單元的內(nèi)容取至存放器R2中,標(biāo)出各微操作限制信號(hào)序列.解：LADR3,(R曲指令流程圖及為操作信號(hào)序列如下:LAD(R3),R0PCo,G,ARiR/W=RDRo,G,IRiR30,G,ARiR/W=RDRo,G,Roi4 .假設(shè)主脈沖源頻率為10MHz,要求產(chǎn)生5個(gè)等間隔的節(jié)拍脈沖,試畫(huà)出時(shí)序產(chǎn)生器的邏輯圖.解:5 .如果在一個(gè)CPU周期中要產(chǎn)生3個(gè)節(jié)拍脈沖；Ti=200ns,T2=400ns,T3=200ns,試畫(huà)出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖.解：取節(jié)拍脈沖Ti、T2、T3的寬度為時(shí)鐘周期或者是時(shí)鐘周

3、期的倍數(shù)即可.所以取時(shí)鐘源提供的時(shí)鐘周期為200ns,即,其頻率為5MHz.;由于要輸出3個(gè)節(jié)拍脈沖信號(hào),而T3的寬度為2個(gè)時(shí)鐘周期,也就是一個(gè)節(jié)拍電位的時(shí)間是4個(gè)時(shí)鐘周期,所以除了C4外,還需要3個(gè)觸發(fā)器C、C2、C3;并令T1CiC2；T1C2C3；T3C1C3,由此可畫(huà)出邏輯電路圖如下:Tf6 .假設(shè)某機(jī)器有80條指令,平均每條指令由4條微指令組成,其中有一條取指微指令是所有指令公用的.微指令長(zhǎng)度為32位,請(qǐng)估算限制存儲(chǔ)器容量.解：80條指令,平均每條指令由4條微指令組成,其中有一條公用微指令,所以總微指令條數(shù)為80(4-1)+1=241條微指令,每條微指令32位,所以控存容量為：241

4、32位7 .某ALU器件是用模式限制碼MS3&SC來(lái)限制執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作.下表列出各條指令所要求的模式限制碼,其中y為二進(jìn)制變量,小為0或l任選.試以指令碼(A,B,H,D,E,F,G)為輸入變量,寫(xiě)出限制參數(shù)M,S3,S,C的邏輯表達(dá)式指令碼MS3S2SiCA,B100110H,D01101E0010yF0111yG1011解：由表可列如下邏輯方程M=G9=H+D+F&=A+B+D+H+E+F+GS=A+B+F+GC=H+D+Ey+Fy8 .某機(jī)有8條微指令I(lǐng)1-I8,每條微指令所包含的微命令限制信號(hào)如下表所示caj分別對(duì)應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào).假設(shè)一條微指

5、令的限制字段僅限為8位,請(qǐng)安排微指令的限制字段格式.微指令abcdefghijIiI2I3I4I5I6I7I8解：由于有10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào),如果采用直接表示法那么需要10位控制字段,現(xiàn)限制字段僅限于8位,那么,為了壓縮限制字段的長(zhǎng)度,必須設(shè)法把一個(gè)微指令周期中的互斥性微命令組合在一個(gè)小組中,進(jìn)行分組譯碼.經(jīng)分析,(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同時(shí)出現(xiàn)的互斥信號(hào),所以可將其通過(guò)2:4譯碼后輸出三個(gè)微命令信號(hào)(00表示該組所有的微命令均無(wú)效),而其余四個(gè)微命令信號(hào)用直接表示方式.因此可用下面的格式安排限制字段.e

6、fhbijacdgXXXX或：efhdijabcgXXXX或：fhibgjacdeXXXX9 .微地址轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下:NA8=R&T4NA7=RIRT4A6=P>CT4其中NA8pA6為微地址存放器相應(yīng)位,Pl和自為判別標(biāo)志,C為進(jìn)位標(biāo)志,1陡和IR為指令存放器的相應(yīng)位,T4為時(shí)鐘周期信號(hào).說(shuō)明上述邏輯表達(dá)式的含義,畫(huà)出微地址轉(zhuǎn)移邏輯圖.解：叱A8=PiIR-T4表示微地址的第8位在Pi有效時(shí),用IR6設(shè)置A7=Pi-IR5-T4表示微地址的第7位在Pi有效時(shí),用IR5設(shè)置aA=P?C,T4表小微地址的第6位在P2有效時(shí),用進(jìn)位標(biāo)志C設(shè)置,地址轉(zhuǎn)移邏輯圖如下：AAbAA7AA

7、610 .某計(jì)算機(jī)有如下部件,ALU,移位器,主存M,主存數(shù)據(jù)存放器MDR,主存地址存放器MAR,指令存放器IR,通用存放器R3R3,暫存器C和Do(1)請(qǐng)將各邏輯部件組成一個(gè)數(shù)據(jù)通路,并標(biāo)明數(shù)據(jù)流動(dòng)方向.(2)畫(huà)出“ADDRi,R2'指令的指令周期流程圖.解：(1)設(shè)該系統(tǒng)為單總線結(jié)構(gòu),暫存器C和D用于ALU的輸入端數(shù)據(jù)暫存,移位器作為ALU輸出端的緩沖器,可對(duì)ALU的運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行附加操作,那么數(shù)據(jù)通路可設(shè)計(jì)如下：(2)根據(jù)上面的數(shù)據(jù)通路,可畫(huà)出ADDRi,R2'(設(shè)R1為目的存放器)的指令周期流程圖如下:ADDR1,R2(PC)-MAR(M)-MDR(MDR)IRPC+1(

8、R1)-C(R2)-D(C)+(D)-移位器(移位器)-R111 .某機(jī)采用微程序限制方式,控存容量為512*48位.微程序可在整個(gè)控存中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移,限制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個(gè),微指令采用水平型格式,后繼微指令地址采用斷定方式.請(qǐng)問(wèn)；(1)微指令的三個(gè)字段分別應(yīng)為多少位(2)畫(huà)出對(duì)應(yīng)這種微指令格式的微程序限制器邏輯框圖.解：(1)由于容量為512*48位,所以下址字段需用9位,限制微程序轉(zhuǎn)移的條件有4個(gè),所以判別測(cè)試字段需4位或(3位譯碼),因此操作限制字段的位數(shù)48-9-4=35位(或48-9-3=36位)(2)微程序限制器邏輯框圖參見(jiàn)教材圖12 .今有4級(jí)流水線,分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)

9、、運(yùn)算、送結(jié)果四步操作.今假設(shè)完成各步操作的時(shí)間依次為100ns,100ns,80ns,50ns.請(qǐng)問(wèn)；(1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少(2)假設(shè)相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān),而且在硬件上不采取舉措,那么第2條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行(3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改良,至少需推遲多少時(shí)間(1)流水操作周期為max(100,100,80,50)=100ns(2)假設(shè)相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān),而且在硬件上不采取舉措,那么在第1條指令“送結(jié)果步驟完成后,第2條指令的“取數(shù)步驟才能開(kāi)始,也就是說(shuō),第2條指令要推遲兩個(gè)操作周期,即200ns才能進(jìn)行.(3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改良,采用定向傳送的技術(shù),那么只要第

10、1條指令完成“運(yùn)算的步驟,第2條指令就可以“取數(shù)了,因此至少需推遲100ns.13 .指令流水線有取指(IF)、譯碼(ID)、執(zhí)行(EX)訪存(MEM)、寫(xiě)回存放器堆(WB)五個(gè)過(guò)程段,共有20條指令連續(xù)輸入此流水線.(1)畫(huà)出流水處理的時(shí)空?qǐng)D,假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns.(2)求流水線的實(shí)際吞吐率(單位時(shí)間里執(zhí)行完畢的指令數(shù)).(3)求流水線的加速比.解：(1)流水處理的空?qǐng)D如下,其中每個(gè)流水操作周期為100ns：空間SibIi1I2I15II16I17:1I181I19LJWBIiI2I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3I16I17I18I19I20I20IiI2I3I4I

11、17I18I19I20IiI2I3I4I5I18I19I20IiI2I3I4I5I6I19I20EXIDIF123456192021222324時(shí)間T(2)流水線的實(shí)際吞吐量：執(zhí)行20條指令共用5+119=24個(gè)流水周期,共2400ns,所以實(shí)際吞吐率為：20一舁8.333百萬(wàn)條指令/秒240010(3)流水線的加速比為：設(shè)流水線操作周期為j那么n指令串行經(jīng)過(guò)k個(gè)過(guò)程段的時(shí)間為n*k*r而n條指令經(jīng)過(guò)可并行的k段流水線時(shí)所需的時(shí)間為(k+n-1)*故20條指令經(jīng)過(guò)5個(gè)過(guò)程段的加速比為：4.1720551914.用時(shí)空?qǐng)D法證實(shí)流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率.解：設(shè)流水計(jì)算機(jī)的指令流水線

12、分為4個(gè)過(guò)程段：IF、ID、EXWB,那么流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D如下：空間S11tt1IiI2I3I4I5IiI2I3I4I5I6IiI2I3I4I5I6I7IiI2I3I4I5I6I7I8WBEXIDIF78345612IiI2I3I4I5時(shí)間T8個(gè)操作周期內(nèi),流水計(jì)算機(jī)執(zhí)行完了5條指令,而2條指令；由此,可看出流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)非流水計(jì)算機(jī)的時(shí)空?qǐng)D:由圖中可以看出,同樣的非流水計(jì)算機(jī)只執(zhí)行完了具有更高的吞吐率.15.用定量描述法證實(shí)流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率證實(shí)：設(shè)流水計(jì)算機(jī)具有k級(jí)流水線,每個(gè)操作周期的時(shí)間為,執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：Tkn1；吞吐率為：Hinkn1而非流水

13、計(jì)算機(jī),執(zhí)行n條指令的時(shí)間為：Tnk;吞吐率為：H2-nnkH1nknkH2kn1kn1當(dāng)n=1時(shí),H1H2;當(dāng)n>1時(shí),H1H2,即：流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率.16.判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)(1) I1LADR1,A;M(A)一R1,M(A)是存儲(chǔ)器單元I2ADDR2,Rl;(R2)+(R1戶R2(2) I1ADDR3,R4;(R3)+(R4)>R3I2MULR4,R5;(R4)(R5戶R4(3) I1LADR6,B;M(B)一R6,M(B)是存儲(chǔ)器單元I2MULR6,R7;(R6)(R7)>R6解：(1) I1的運(yùn)算結(jié)果應(yīng)該先寫(xiě)入R,然后再在I2中讀取

14、R的內(nèi)容作為操作數(shù),所以是發(fā)生RAW(“寫(xiě)后讀)相關(guān)(2) WARRAWWAW兩種相關(guān)17.參考圖所示的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)模型,現(xiàn)有如下6條指令序列:I1LADR1,B；M(B)一R1,M(B)是存儲(chǔ)器單元I2SUBR2,Rl；(R2)-(R1HR2I3MULR3,R4；(R3)*(R4戶R3I4ADDR4,R5；(R4)+(R5-R4I5LADR6,A；M(A)一R6,M(A)是存儲(chǔ)器單元I6ADDR6,R7;(R6)+(R7)>R6請(qǐng)畫(huà)出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖'(2)按序發(fā)射按序完成的流水線時(shí)空?qǐng)D解：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖如下(仍設(shè)F、D段要求成對(duì)輸入；F、D、W段只需1個(gè)周期；加需要2個(gè)