组成第五章答案2010版本

计算机组成第五章考试部分参考答案陈天洲，居立晗(助教)tzchen@, lhju@ 本文档只针对2010级计算机组成章节考试的部分答案，请勿外传1、单时钟周期中，IM与DM合成为一个MEM，可以吗？若可以，画出LW与SW指令的数据通道。

若不可以，为什么？不可以，因为单时钟周期，一个周期内要先后用到IM和DM。

无法用一个MEM器件完成一个时钟内两次触发。

2、多时钟周期中，DM能否分成IM与DM？若可以，如果仅仅实现LW与SW，画出LW与SW指令的数据通道。

微程序的字段应该怎么修改。

若不可以，为什么？可以。

微程序的字段中要增加IM控制。

存储器的字段的值要改，因为ALUOut已经没有必要了Dispatch rom23、写出多时钟周期有限状态机第0状态的各个信号量，并写出触发的时间顺序。

Memread,ALUSrcA=0,IorD=0,IRWrite,ALUSrcB=01,ALUOp=00,PCWrite,PCSource=00.有前后依赖关系的信号有两个系列：1、ALUSrc，ALUSrcB在前，ALUOp后触发，用来做PC+4操作，之后触发PCSource，然后是PCwrite。

2、IorD先触发，然后是Memread4、已知单时钟周期cpu，IM/DM读访问周期2ns，IM/DM写访问周期1.5ns，REGDST等信号由控制器产生需要延时为4.6ns，ALU延时1.7ns，寄存器组访问延时为1.3ns。

问最佳的时钟周期。

如下表，不同指令在单时钟周期下的功能如下计算各指令需要是时间，发现，LW指令是需要操作最多，时间最长的，2+4.6+1.3+1.7+2+1.3=12.9ns5、单时钟周期仅仅完成jal指令，画出连线。

Jal将PC＋4存储到寄存器组中，然后跳转所以需要一个加法器做PC＋4，然后把结果送到reg file的write data。

Reg file的reg write 为$ra，另外，后面的16bit扩展左移2bit后与PC＋4相加，结果送PC6、多时钟周期下，实现一条指令，memadd $1 $2 $3，内存数组相加指令。

将$1为起始地址的内存字，累加结果到$2，$3为需要相加的字的数目。

使用微程序实现该指令的控制。

分析：这是一道较难的题目，显然微程序里面有一个循环。

这是典型的微程序的难题类型。

memadd $1 $2 $3，显然需要进行如下流程:1、取指令，pc＝pc＋42、读寄存器。

由于3个寄存器都需要读取，则加一个锁存器C。

A存储$1，B存储$2，C存储$3。

3、以A为地址取内存数据到MDR4、让ALU计算C－1，结果存储在aluout，如果结果为0，转步骤1，否则转步骤5。

需要一个dispatch5、把步骤4计算的aluout写入$3，同时计算$1+4，输出到aluout6、把aluout写入$1，同时以aluout为地址访问内存，输出到MDR7、计算aluout＝B＋MDR8、将aluout写入$2，跳转到步骤5。

微程序如下：Dispatch表如下：7、多时钟周期下，实现指令jalr rs rd，该指令是无条件跳转指令，跳转地址在rs中，将下一条指令的地址保存在rd中。

指令格式为R型：a、建立数据通道确保该指令的完成。

b、写出有限状态机。

c、实现该指令，完成的微程序(无需写出其他指令的微程序)，写出修改的域，增加的值，新的dispatch表，对应的含义。

d、计算控存容量。

A、修改原来的datapatch，锁存器A后面出来的那条线上增加一条线，拉到pc前面的多路选择器，增加一个选择项3。

这是为了让rs的内容读出来以后直接找到跳转指令的地址pc+4那条线增加一个去向，拉到寄存器的writedata上，方便写入rd。

就这两点变化。

如图蓝色两根线与红色的两个选项。

b 、只需要三步，一取指令，把pc+4存在pc 中。

二是译码。

三是把A 送到PC ，把PC ＋4送到rd 里，所以有限状态机如下 C 、微程序如下所示 label ALU controlsrc1src2 register control memory pcwrite control sequencing Fetch Add PC 4 Read PC ALU Seq ReadWrite pcAFetch红色的两个值是需要增加的，表示需要增加register control 一个新的值，write pc ，表示寄存器的数据来源于PC 。

Pcwrite control 需要增加一个来源为A 。

D 、由于原来的register control 需要2bit ，只有3个值，不需要增加register control 的bit 数目。

Pcwrite control 也一样。

所以控存数目不变。

ALU control 需要2bit ，src1需要1bit ，src2需要2bit ，register control 需要2bit ，memory 需要2bit ，pcwrite control 需要2bit ，sequencing 需要2bit 。

一行微程序大小为2+1+2+2+2+2+2=13bit 。

3行需要控存39bit 。

MemreadAlusrcA=0 IorD=0 IRwrite AluSrcB=01 Aluop=00 PcwritePcsource=00a8、写出单时钟周期数据通道下，时钟周期的计算方法。

已知IM,加4的加法器，控制器，寄存器组，ALU，DM各有延时，为T IM,T加4的加法器，T控制器，T寄存器组，T ALU，T DM。

其他开关、符号扩展、左移逻辑，门及控制器不考虑时延。

有两条依赖关系：加法器完成PC+4，写PC读IM取指令；交给控制器译码，同时读寄存器组；然后可能是几种类别的指令1、l w：首先ALU计算实际地址，如何访DM，然后写寄存器组2、s w：首先ALU计算实际地址，如何访DM3、R型: 首先ALU计算实际地址，然后写寄存器组由于题面没有给出条件跳转、无条件跳转等其他指令需要消耗的时间延迟所以T=max（T加4的加法器，(T IM +max（T控制器，T寄存器组）+T ALU + + T DM + T寄存器组）)9、有人说，多时钟周期实现R型指令，在第四节拍写回寄存器节拍中，需要保持ALUSRCA=1, ALUSRCB=00, ALUOP=10，这样在R型指令就不需要ALUOUT这个锁存器了。

这个说法是否正确，说明原因。

正确。

因为ALUOUT这个锁存器的作用是保存跳转地址，而R型指令的值直接写回就可以了，如果只需要R型指令，那么这个锁存器可以去掉。

但是要注意的是，如果在R型指令中取消了ALUOUT这个锁存器，必须在第四周期保持三个信号，因为数据存储在alu输出的数据存储在32位数据线上，以免在数据没有写入寄存器组前，三个信号出现变化造成alu输出变化。

10、已知有指令寻址方式为“存储器间接寻址”，若内存1000H的内容为404CH，又内存地址为404CH的内容为607FH。

则指令load $1, @($2)表示从内存1000的内容404CH为地址，取出该地址的数据607FH传输到寄存器$1。

指令index型指令。

写出该指令使用多时钟周期实现时的微程序(仅仅实现该指令)。

把MDR输入连接到memory read address。

11、已知dispatch rom 1与dispatch rom 2的内容可以调整。

微程序如下，问：有没有哪条微程序位置不准确使得机器语言无法正常完成功能。

若有，写出如何调整，并写出调整后的dispatch rom 1与dispatch rom 2的内容。

若没有，也写出dispatch rom 1与dispatch rom 2的内容。

正确，Dispatch1表如下：Dispatch2表如下：其中是数据哪里来的？是该指令的序号。

例如，dispatch2中sw指令的数据是什么？是sw2标号的微程序对应的序号。

数一下，得到第0条是fetch，第二条是译码，…，sw2所在的微程序是第6条。

12、在CPU各组成部件不修改的情况下，有人提出，为了节省控存，可以将Rformat1的后续微指令与Rformat1的微指令合并，并且合并LW2与LW2的后续指令。

新的微程序如下：微程序控制逻辑中还有没有需要修改的，if 有，怎么改。

首先，需要把下一微程序的fetch改成自己定义的名词，例如Repeat，表示保持该状态2节拍，如何goto fetch。

地址选择逻辑里要增加addrcontrol的mux一个新的值为4，也就是维持不变状态，遇到后addrcontrol先选择4维持原始状态，如何下一节拍选择0去fetch。

Repeat13、已知有指令寻址方式为“变址寻址”，对数组操作特别有效。

若add $3 ($1+$2)指令，表示$3=$3+MEM($1+$2)。

指令为R型指令。

该指令能否使用单时钟周期来完成（可以增加必要的器件）？如果可以，写出该指令使用单时钟周期实现时的数据通道(仅仅实现该指令)。

如果不可以，为什么？不可以使用单时钟周期完成。

因为单时钟周期里，要实现$1+$2，必须读这两个寄存器的值，于是指令的[25-21]和[20-16]就存的是$1和$2。

而做完了MEM($1+$2)以后，要和$3相加并存放在$3中，这就要求$3存在[20-16]中，矛盾了。

如果硬件可以更新，可以：1、寄存器组需要修改：成为3个读口，1个写口，3个数据输出锁存器14、已知有限状态机中，有一个状态，其中部分信号量如下：ALUSRCA=1ALUSRCB=2ALUOP=01问这可能是什么指令的什么节拍。

（前提：数据通道连线不修改）因为ALUSRCA＝1，ALU的A端数据为A；ALUSRCB=2，ALU的A端数据为16bit 的32位扩展，即立即数；ALUOP＝01，做减法。

意味着本指令节拍做A－立即数。

所以本指令是立即数减法。

例如：Subi $1, $2, 4这是该指令的第三节拍。

15、一个计算机，能够完成j，beq，R型指令，LW，SW，以及类似addi $1, $1, 4的立即数ALU运算，写出微程序。

Dispatch 1 table 3bitDispatch 2不变16、PCWrite与PCWriteCond的区别。

PCWrite:对PC进行写操作，数据来源由PCSource进行控制PCWritecond:如果ALU的Zero输出时，对PC进行写操作(当然要和PCWrite配合)，当条件跳转的时候本信号被触发。

17、下图中5个箭头指向的线是几bit的，有什么作用？箭头1是2bit，控制ALU的第二个加数的来源。

箭头2是2bit，控制ALU要进行的运算。

箭头3是1bit，通过zero位之否为1控制是否写pc箭头4是3bit，控制alu的2bit 信号operation和1bit的Bnegate 箭头5是5bit，提供rd。