中央處理器習(xí)題參考答案1

1、1.請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)內(nèi)填入適當(dāng)答案。在 CPU 中:（1）保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（指令寄存器 IR）;（2）保存當(dāng)前正要執(zhí)行的指令地址的寄存器是（程序計(jì)數(shù)器 PC）;（3）算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在（通用寄存器）和（數(shù)據(jù)緩沖寄存器 DR）2.參見(jiàn)下圖（課本 P166 圖 5.15）的數(shù)據(jù)通路。畫(huà)出存數(shù)指令STAR1,（R2）的指令周期流程圖，其含義是將寄存器 R1 的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作信號(hào)序列。SB12.1解：STAR1,（R2）指令是一條存數(shù)指令，其指令周期流程圖如下圖所示:PC*GjAR(R/而二RDRojG,IRG,DR1GjARjR/南二南3.參見(jiàn)課本

2、P166 圖 5.15 的數(shù)據(jù)通路，畫(huà)出取數(shù)指令LDA(R3),RO的指令周期流程圖,其含義是將(R3)為地址的主存單元的內(nèi)容取至寄存器 R0 中，標(biāo)出各微操作控制信號(hào)序列,5 .如果在一個(gè) CPU 周期中要產(chǎn)生 3 個(gè)脈沖 T1=200ns,T2=400ns,T3=200ns,試畫(huà)出時(shí)序產(chǎn)生器邏輯圖。解：節(jié)拍脈沖 T1,T2,T3的寬度實(shí)際等于時(shí)鐘脈沖的周期或是它的倍數(shù)，此時(shí) T1=T3=200ns,T2=400ns,所以主脈沖源的頻率應(yīng)為 f=1/T1=5MHZ。為了消除節(jié)拍脈沖上的毛刺，環(huán)型脈沖發(fā)生器可采用移位寄存器形式。下圖畫(huà)出了題目要求的邏輯電路圖和時(shí)序信號(hào)關(guān)系。根據(jù)關(guān)系，節(jié)拍脈沖

3、T1,T2,T3的邏輯表達(dá)式如下：T1=C1-二，T2=;T3=6 .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。已知微指令長(zhǎng)度為 32 位，請(qǐng)估算控制存儲(chǔ)器容量。解：微指令條數(shù)為：(4-1)X80+1=241 條取控存容量為：256X32 位=1KB7 .某 ALU 器件使用模式控制碼 M,S3,S2,S1,C 來(lái)控制執(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控制碼，其中 y 為二進(jìn)制變量，F(xiàn) 為 0 或 1 任選。試以指令碼(A,B,H,D,E,F,G)為輸入變量，寫(xiě)出控制參數(shù) M,S3,S2,S1,C 的邏輯表達(dá)式。

4、指令用S3S2S1CALB00110H,D0110_1E00101yF0111YG1011_解：M=GS3=H+D+FS2=1S1=H+D+ES1=H+D+EC=H+D+(E+F)y8 .某機(jī)有 8 條微指令 I1-I8，每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。離命令信號(hào)a-j 分別對(duì)應(yīng) 10 種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段為 8 位，請(qǐng)安排微指令的控制字段格式。解：經(jīng)分析，(e,f,h)和(b,i,j)可分別組成兩個(gè)小組或兩個(gè)字段，然后進(jìn)行譯碼，可得六個(gè)微命令信號(hào)，剩下的 a,c,d,g 四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制，其整個(gè)控制字段組成如-efhIlli-bij11Ma

5、cd譯碼譯宿01:e01:b10: f10:i11：h11：j10 .某計(jì)算機(jī)有如下部件：ALU,ALU,移位器，主存 M M 主存數(shù)據(jù)寄存器 MDRMDR 主存地址寄存器 MARMAR 指令寄存器 IR,IR,通用寄存器 R RR,暫存器 C C 和 D D。(1)(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)流向。(2)(2)畫(huà)出“ADDRi,(R2)ADDRi,(R2)”指令的指令周期流程圖，指令功能是(Ri)(Ri)+ +(R2)(R2)一RI。解：(1)(1)各功能部件聯(lián)結(jié)成如圖所示數(shù)據(jù)通路：送當(dāng)前指令地址到 MAR取當(dāng)前指令到 IR,PC+1,為取下條指令做好準(zhǔn)備(C)+(D)f

6、R(C)+(D)fR7T-7-圖 B6.5B6.5( (說(shuō)明)：取 R R 操作數(shù)一 C C 暫存器。：下:微指令控制字段二07060504030201OO(2)(2)此指令為 RSRS 型指令，一個(gè)操作數(shù)在R Ri中，另一個(gè)操作數(shù)在 R R2為地址的內(nèi)存單元中,相加結(jié)果放在 R Ri中送地址到 MARMAR：取出內(nèi)存單元中的操作數(shù)一 D D 暫存器。：相加后將和數(shù)一 Ro11 .已知某機(jī)采用微程序控制方式，其控制存儲(chǔ)器容量為 512512 沖 8(8(位)。微程序可在整個(gè)控制存儲(chǔ)器中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共 4 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)

7、(1)微指令中的三個(gè)字段分別應(yīng)為多少位？(2)(2)畫(huà)出圍繞這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。解：(1)(1)假設(shè)判別測(cè)試字段中每一位作為一個(gè)判別標(biāo)志，那么由于有 4 4 個(gè)轉(zhuǎn)移條件，故該字段為 4 4 位；又因?yàn)榭卮嫒萘繛?512512 單元，所以下地址字段為 9 9 位，。微命令字段則是：(48(484 49)9)=35=35 位。(2)對(duì)應(yīng)上述微指令格式的微程序控制器邏輯框圖如下圖所示。其中微地址寄存器對(duì)應(yīng)下地址字，P 字段即為判別測(cè)試字段，控制字段即為微命令字段，后兩部分組成微指令寄存器。地址轉(zhuǎn)移邏輯的輸入是指令寄存器的 OP 碼、各種狀態(tài)條件以及判別測(cè)試字段所給的判別標(biāo)志(某一位

8、為 1),其輸出用于控制修改微地址寄存器的適當(dāng)位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微程序的分支轉(zhuǎn)移(此例微指令的后繼地址采用斷定方式)。12 .今有 4 級(jí)流水線分別完成取值、指令譯碼并取數(shù)、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)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)， 而且在硬件上不采取措施， 那么第二條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行。(3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)間？解:(1)流水線的操作時(shí)鐘周期 t 應(yīng)按四步操作中最長(zhǎng)時(shí)間來(lái)考慮，所以 t=100ns；(2)兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突情況：ADDR1,R2,

9、R3;R2+R3-R1SUBR4,R1,R5;R1-RSR4兩條指令在流水線中執(zhí)行情況如下表所示：時(shí)鐘1234567ADDIFIDEXWBSUBIFIDEXWB不采取措施IFIDEX采取措施IFIDEXWBADD 指令在時(shí)鐘 4 時(shí)才將結(jié)果寫(xiě)入寄存器 R1 中，但 SUB 指令在時(shí)鐘 3 時(shí)就需讀寄存器 R1 了,顯然發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，不能讀到所需數(shù)據(jù)，只能等待。如果硬件上不采取措施，第 2 條指令 SUB 至少應(yīng)推遲 2 個(gè)操作時(shí)鐘周期，即 t=2x100ns=200ns；(3)如果硬件上加以改進(jìn)(采取旁路技術(shù)),這樣只需推遲 1 個(gè)操作時(shí)鐘周期就能得到所需數(shù)據(jù)，即 t=100ns。15.用定量

10、描述法證明流水計(jì)算機(jī)比非流水計(jì)算機(jī)具有更高的吞吐率。解：衡量并行處理器性能的一個(gè)有效參數(shù)是數(shù)據(jù)帶寬(最大吞吐量)，它定義為單位時(shí)間內(nèi)可以產(chǎn)生的最大運(yùn)算結(jié)果個(gè)數(shù)。設(shè) P1 是有總延時(shí) T1的非流水處理器，故其帶寬為 1/T1。又設(shè) Pm 是相當(dāng)于 PIm 段流水處理器延遲時(shí)間 Tr,故 Pm 的帶寬為 1/(Tc+Tr)。如果 Pm 是將 P1劃分成相同延遲的若干段形成的，則 T1mTc 因此 P1的帶寬接近于 1/mTc,由此可見(jiàn)，當(dāng) mTcTc+Tr 滿足時(shí)，Pm 比 P1具有更大的帶寬。16.流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突：寫(xiě)后讀(RAW 相關(guān)；讀后寫(xiě)(WAR 相關(guān)；寫(xiě)后寫(xiě)(WAW 相關(guān)。判斷

11、以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。I1LADR1,A;M(A)-R1,M(A)是存儲(chǔ)器單元I2ADDR2,R1;(R2)+(R1)-R2I3ADDR3,R4;(R3)+(R4)-R3I4MULR4,R5;(R4)X(R5)-R4I5LADR6,B;M(B)-R6,M(B)是存儲(chǔ)器單元I6MULR6,R7;(R6)X(R7)-R6解：(1)寫(xiě)后讀(RAW 相關(guān)；(2)讀后寫(xiě)(WAR 相關(guān)，但不會(huì)引起相關(guān)沖突；(3)寫(xiě)后讀(RAW 相關(guān)、寫(xiě)后寫(xiě)(WAWV 相關(guān)17 .參考教科書(shū)圖 5.42 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:一 R1,M(B)是存儲(chǔ)器單元(R1)一 R2X(R4)一 R3十(R5)一 R4一 R6,M(A)是存儲(chǔ)器單元十(R7)一 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)譯碼段執(zhí)行段寫(xiě)蛇時(shí)鐘11122121131314121141516121413516