计算机组成原理第9章习题指导

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计算机组成原理第 9 章习题
解:指令周期是 CPU 取出并执行一条指令所需的全部时间,即完成一条指令的时间。机器周期是 所有指令执行过程中的一个基准时间,通常以存取周期作为机器周期。时钟周期是机器主频的倒数, 也可称为节拍,它是控制计算机操作的最小单位时间。 一个指令周期包含若干个机器周期,一个机器周期又包含若干个时钟周期,每个指令周期内的机 器周期数可以不等,每个机器周期内的时钟周期数也可以不等。 例 9.7 能不能说机器的主频越快,机器的速度就越快,为什么?
Ad(MDR)→Bus→MAR 1→R 数据线→MDR MDR→Bus→Y (AC) + (Y) →Z Z→AC
;MDRo 和 MARi 有效,指令的地址码字段→MAR ;CU 发读命令 ;操作数从存储器→数据线→MDR ;MDRo 和 Yi 有效,操作数→Y ;ACo 有效,CU 向 ALU 发加命令,结果→Z ;Zo 和 ACi 有效,结果→AC
解:不能说机器的主频越快,机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关,还与机器周 期中所含的时钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。同样主频的机器,由于机器周期所含 时钟周期数不同,机器的速度也不同。机器周期中所含时钟周期数少的机器,速度更快。 此外,机器的速度还和其他很多因素有关,如主存的速度、机器是否配有 Cache、总线的数据传输率、 硬盘的速度、以及机器是否采用流水技术等等。机器速度还可以用 MIPS(每秒执行百万条指令数) 和 CPI(执行一条指令所需的时钟周期数)来衡量。 例 9.8 某计算机 CPU 的主频为 4MHz,各类指令的平均执行时间和使用频度如表 9.1 所示。试
指令执行周期
(2) “STA * D”指令取指周期和执行周期的信息流程及相应的控制信号如图 9.4 所示,图中 Ad(IR)为相对位移量的机器代码。
取指
(XR) + Ad(IR)→EAR EAR→Bus→MAR M(MAR)→MDR MDR→Bus→X (ACC) + (X)→LATCH LATCH→Bus→ACC
图 9.3 “ADD
XRo,Ad(IR)o,+, EARi EARo, MARi MARo, R/W = R,MDRi MDRo, Xi ACCo, Xo,Ki = +,LATCHi LATCHo,ACCi
X,D”指令周期的信息流程及相应的控制信号
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计算机组成原理第 9 章习题 PC→Bus→MAR M(MAR)→MDR MDR→Bus→IR (PC) + 1→PC PCo,MARi MARo,R/W = R,MDRi MDRo,IRi +1
计算机组成原理第 9 章习题
第9章
控制单元的功能
例 9.1 设 CPU 内部采用非总线结构,如图 9.1 所示。 (1)写出取指周期的全部微操作。 (2)写出取数指令“LDA M” ,存数指令“STA M” ,加法指令“ADD 址)在执行阶段所需的全部微操作。 (3)当上述指令均为间接寻址时,写出执行这些指令所需的全部微操作。 (4)写出无条件转移指令“JMP Y”和结果为零则转指令“BAZ 微操作。
(3)ADD R1,@mem
写出这三种寻址方式完成加法指令所需的全部微操作。 解: (1)ADD R1,R2 寄存器寻址
PC→Bus→MAR
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计算机组成原理第 9 章习题
1→R M(MAR)→数据线→MDR→Bus→IR (PC ) +1→PC R2→Y (R1) + (Y) →Z Z→Bus→R1 (2)ADD R1,@R2 寄存器间址
PC→Bus→MAR 1→R M(MAR)→数据线→MDR→Bus→IR (PC) +1→PC R2→MAR 1→R M(MAR)→数据线→MDR MDR→Bus→Y (R1) + (Y) →Z Z→Bus→R1 (3)ADD R1,@mem 存储器间接寻址
PC→Bus→MAR 1→R M(MAR)→数据线→MDR→Bus →IR (PC) +1→PC IR(mem) →Bus→MAR 1→R M(MAR)→数据线→MDR MDR→Bus→MAR 1→R M(MAR)→数据线→MDR MDR→Bus→Y (R1) + (Y) →Z Z→Bus→R1 例 9.6 什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系?
(2)对于间接寻址的取数、存数和加法指令,其取指周期的操作是不变的,进入间址周期 3 条 指令的间址操作均相同,具体的微操作是: Ad(MDR) →Bus→MAR 1→R 数据线→MDR ;MDRo 和 MARi 有效,形式地址→MAR ;CU 发读命令 ;有效地址从存储器→数据线→MDR
间址周期结束时有效地址在 MDR 中,进入执行周期后,3 条指令的第一个微操作均为 MDR→Bus→MAR 例 9.5 ;MDRo 和 MARi 有效,有效地址→MAR 其余的微操作不变。
设 CPU 内部寄存器的连接与图 9. 5 基本相同,且 IR 的输出与 BUS 连,还需增加两个通
用寄存器 R1 和 R2,其输入和输出都与总线连接。如果加法指令中的第二个地址码有寄存器寻址、寄 存器间接寻址和存储器间接寻址这三种寻址方式,即 (1)ADD (2)ADD R1,R2 R1,@R2 ;(R1) + (R2) →R1 ;(R1) + ((R2)) →R1 ;(R1) + ((mem)) →R1
取指周期结束时,指令在 MDR 和 IR 中。由于图 9.5 中没有 IRo 控制信号,故进入执行周期 后,操作数的地址均由 Ad(MDR)提供。3 条指令执行周期的微操作分别如下。 ① “LDA X”指令 Ad(MDR)→Bus→MAR ;MDRo 和 MARi 有效,指令的地址码字段→MAR
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计算机组成原理第 9 章习题
(2)① 取数指令“LDA M”执行阶段所需的全部微操作如下: Ad(IR)→MAR 1 →R M(MAR)→MDR MDR→ACC ;指令的地址码字段→MAR ;命令存储器读 ;操作数从存储器中读至 MDR ;操作数→ACC
② 存数指令“STA M”执行阶段所需的全部微操作如下: Ad(IR)→MAR ;指令的地址码字段→MAR
1→R 数据线→MDR MDR→Bus→AC ② “STA X”指令
;CU 发读命令 ;操作数从存储器→数据线→MDR ;MDRo 和 ACi 有效,操作数→AC
Ad(MDR)→Bus→MAR 1→W AC→Bus→MDR MDR→数据线 ③ “ADD X”指令
;MDRo 和 MARi 有效,指令的地址码字段→MAR ;CU 发写命令 ;ACo 和 MDRi 有效,欲写入的数据→MDR ;数据经数据线写入存储器
(3)当上述指令为间接寻址时,需增加间址周期的微操作。这 3 条指令在间址周期的微操作是相 同的,即 Ad(IR)→MAR 1→R M(MAR)→MDR ;指令的地址码字段→MAR ;命令存储器读 ;有效地址从存储器中读至 MDR
进入执行周期,3 条指令的第一个微操作均为 MDR→MAR(有效地址送 MAR) ,其余微操作不 变。 (4)① 无条件转移指令“JMP Y”执行阶段的微操作如下: Ad(IR)→PC ;转移(目标)地址 Y→PC Y”执行阶段的微操作如下:
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计算机组成原理第 9 章习题
1→W ACC→MDR MDR→M(MAR) ③ 加法指令“ADD Ad(IR)→MAR 1→R M(MAR)→MDR (ACC) + (MDR)→ACC
;命令存储器写 ;欲写入的数据→MDR ;数据写至存储器中 M”执行阶段所需的全部微操作如下: ;指令的地址码字段→MAR ;命令存储器读 ;操作数从存储器中读至 MDR ;两数相加结果送 ACC
C2 M D R C5 C9 C10 PC C0 M A R 时钟 CU … 控制信号 IR C7 C4 # 标志 C3 C6 ALU C11 C12 AC C8 控制 # 信号
M” (M 均为主存地
Y”在执行阶段所需的全部
C1
图 9.1 未采用 CPU 内部总线方式的数据通路和控制信号
解: (1)取指周期的全部微操作如下: PC→MAR 1→R M(MAR)→MDR MDR→IR OP(IR)→CU (PC) +1→PC ;现行指令地址→MAR ;命令存储器读 ;现行指令从存储器中读至 MDR ;现行指令→IR ;指令的操作码→CU 译码 ;形成下一条指令的地址
D” (X 为变址寄存器 XR,D 为形式地址)和“STA *D” (*表示相对寻址,D 为相对位移量)两条指 令的指令周期信息流程图,并列出相应的控制信号序列。
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计算机组成原理第 9 章习题
ACC
MQ
X
IR
PC
XR
MAR
MDR
ALU 状态 LATCH
Ki
地 址 加法器
M + R/W
EAR
图 9.2 单总线计算机结构示意
解: (1) “ADD X,D”指令取指周期和执行周期的信息流程及相应的控制信号,如图 9.3 所示,
图中 Ad(IR)为形式地址。
PC→Bus→MAR M(MAR)→MDR MDR→Bus→IR (PC) + 1→PC
PCo,MARi MARo,R/W = R,MDRi MDRo,IRi +1
ADD X,D
取指 图 9.4
(PC) + Ad(IR)→EAR EAR→Bus→MAR ACC→Bus→MDR MDR→M(MAR)
PCo,Ad(IR)o,+, EARi EARo, MARi ACCo, MDRi MDRo,MARo,R/W = W
“STA * D”指令周期的信息流程及相应的控制信号
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计算机组成原理第 9 章习题
② 结果为零则转指令“BAZ Z·Ad(IR)→PC
;当 Z = 1 时,转移(目标)地址 Y→PC (Z 为标记触发器,结果为 0 时 Z = 1)
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例 9.2
已知单总线计算机结构如图 9.2 所示,其中 M 为主存,XR 为变址寄存器,EAR 为有效
地址寄存器,LATCH 为暂存器。图中各寄存器的输入和输出均受控制信号控制,如 PCi 表示 PC 的输 入控制信号,又如 MDRo 表示 MDR 的输出控制信号。假设指令地址已存于 PC 中,画出“ADD X,
STA * D
指令执行周期
例 9.3
设某机主频为 8MHz,每个机器周期平均含 2 个时钟周期,每条指令的指令周期平均有
2.5 个机器周期,试问该机的平均指令执行速度为多少 MIPS?若机器主频不变,但每个机器周期平均 含 4 个时钟周期,每条指令的指令周期平均有 5 个机器周期,则该机的平均指令执行速度又是多少 MIPS?由此可得出什么结论? 解:根据主频为 8MHz ,得时钟周期为 1/8 = 0.125μs,机器周期为 0.125×2 = 0.25μs,指令周期为 0.25×2.5 = 0.625μs。 (1)平均指令执行速度为 1/0.625 = 1.6MIPS。 (2)若机器主频不变,机器周期含 4 个时钟周期,每条指令平均含 5 个机器周期,则指令周期为 0.125×4×5 = 2.5μs ,故平均指令执行速度为 1/2.5 = 0.4MIPS。 (3)可见机器的速度并不完全取决于主频。 例 9.4 设 CPU 内部采用总线连接方式,如图 9.5 所示。
时钟
控制信号 … CU IR PC IRi PCi PCO MARi MDRi CPU 内 部 总 线
地址线
MAR MDR
数据线
MDRO ACi ACO Yi ALUi
AC Y
控制信号 #
ALU Z ZO
图 9.5 CPU 内部总线的数据通路和控制信号
(1)写出完成“LDA X” , “STA X” , “ADD X” (X 均为主存地址)3 条指令所需的全部微 操作,并指出哪些控制信号有效。 (2)当上述 3 条指令均为间接寻址时,写出完成这些指令所需的全部微操作命令,并指出那些控 制信号有效。 解:由图 9.5 可见,一条 CPU 内部总线 Bus 上连接了指令寄存器 IR,程序计数器 PC,存储器地 址寄存器 MAR,存储器数据寄存器 MDR,累加器 AC,算术逻辑单元 ALU,以及 ALU 输入端寄存 器 Y 和 ALU 输出端寄存器 Z。总线是上述这些器件的共享资源,每次只能传递一个数据,分别受控 制信号控制(下标 i 表示输入控制,下标 o 表示输出控制) 。 (1)上述三条指令的取指操作均相同,即 PC→Bus→MAR 1→R 数据线→MDR MDR→Bus→IR (PC) +1→PC ;PCo 和 MARi 有效,现行指令地址→MAR ;CU 发读命令 ;现行指令从存储器→数据线→MDR ;MDRo 和 IRi 有效,现行指令→IR ;形成下条指令的地址
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