第3章CPU构成习题参考解答

6．按照图 3．3 所示的双总线数据通路，写出 SUB R2，R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列。 答：SUB R2，R3。这是一条减法指令，属于寄存器寻址方式，操作数和结果都存在寄 存器中。其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容，结果存入寄存器 R2 中。其指令流程 如表 3．26： 表 3．26 SUB R2，R3 指令双总线流程分析表 步骤 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） 微 操 作 （PC）→MAR； （PC）+1→C （C ） →PC； M[MAR] →MDR （MDR）→IR （R2）－（R3）→C （C）→R2 控 制 信 号 解 释 PCOUT1、 CPMAR、 EMAR、 指令地址送到 MAR ， PC RD、+1、CPC 内容和 1 相加后送 C。 COUT、CP2PC、SMDR MDROUT1、CP1IR 完成 PC 的修改， 将读出的 指令送 MDR。 将读出的指令送 IR，取指 阶段完成。
表 3．27 SUB R2，R3 指令三总线流程分析表 步骤 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 微 操 作 （PC）→MAR； （PC）+1→PC M[MAR] →MDR （MDR）→IR （R2）－（R3）→R2 控 制 信 号 解 释 PCOUT3、 CPMAR、 EMAR、 指令地址送到 MAR ， PC RD、+1、CP1PC 内容和 1 相加后送 PC。 SMDR MDROUT3、CP1IR R2OUT2 、 R3OUT3 、 ADD、PC1R1 将读出的指令送 MDR。 将读出的指令送 IR，取指 阶段完成。 R2 减去 R3 的内容后送 R2。
8．根据表 3．7 分析，参考表 3．8，说明此模型机有几种指令格式。 答：模型机有如下 9 种指令格式： ⑴ 31 27 26 22 21 17 16 0 OP ra rb C2 指令：LOAD、STORE、LOADA、ADDI、ANDI 和 ORI 使用此格式。 ⑵ 31 27 26 22 21 0 OP ra C1 指令：LOADR、STORER 和 LOADR 使用此格式。 ⑶ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 0 OP ra rc 未用 指令：NEG、NOT 使用此格式。 ⑷ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP 未用 rb rc 未用 指令：BRxx 使用此格式。 ⑸ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP ra rb rc 未用 指令：BRLxx 使用此格式。 ⑹ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP ra rb rc 未用 0 指令：ADD、SUB、AND 和 OR 使用此格式。 ⑺ 31 27 26 22 21 17 16 5 4 未用 3 2 C4 3 2 C4 0 0 0
第 3 章思考题与习题参考答案
1．一个典型的 CPU 通常包括哪几个主要部分？各部分的作用是什么？ 答：一个典型的 CPU 通常包括：寄存器组、算术逻辑单元、控制器及内部总线。 各部分作用如下： 寄存器组：用于存放指令、指令地址、操作数及运算结果，它是 CPU 内部特别快速的 存储单元。 算术逻辑单元：用于执行指令中所需的算术、逻辑和移位操作。 控制器： 产生一系列控制信号， 以控制计算机中各部件从存储器中取出将要执行的指令、 进行译码、然后执行该指令的操作。 内部总线：在 CPU 内部，用于连接寄存器组、ALU 和 CU，为数据和控制信号的传输 提供通路。 2．CPU 的功能具体包括哪几个方面？请详细说明。 答：CPU 的功能具体包括：指令控制功能、操作控制功能、时间控制功能、数据加工 功能和处理中断功能等。 各功能详细说明如下： 指令控制：CPU 必须具有控制程序的执行顺序的功能。按照“存储程序控制”的概念， 程序被装入主存后， 计算机应能按其预先规定的顺序有序地执行， 这样才能完成程序指定的 功能。 操作控制：CPU 必须具有产生完成每条指令所需的控制命令的功能。一条指令的执行， 需要计算机中的若干个部件协同工作，CPU 必须产生相应的控制命令传送给这些部件，并 能检测这些部件的状态，使他们有机的配合起来，共同完成指令的功能。 时间控制：CPU 必须具有对各种操作实施时间上控制的能力。由于计算机高速地进行 工作， 每一个动作的时间是非常严格的， 不能有任何差错， 因此对各种操作信号的产生时间、 稳定时间、撤消时间及相互之间的关系都必须有严格的规定，才能保证计算机的正常工作。 数据加工：CPU 必须具有对数据进行算术运算和逻辑运算的功能。数据加工处理是完 成程序功能的基础，它是 CPU 最基本的任务。 处理中断：CPU 必须具有对异常情况和外来请求处理的功能。当机器出现某些异常情 况，诸如算术运算的溢出和数据传送的奇偶错等；或者某些外来请求，诸如设备完成、程序 员从键盘上送入命令等，那么 CPU 应能在执行完当前指令后，响应这些请求。 3．计算机运行程序遵循什么样的一个循环过程？PC 寄存器和 IR 寄存器在这个过程中 起的作用是什么？ 答：计算机运行程序的过程遵循“取指— 译码— 执行”这样一个基本的循环过程。PC 寄存器在这个过程中用来保存下一条要取出指令的地址，当取出一条指令后，系统会修改 PC 寄存器的内容，使其指向下一条指令。当执行转移指令时，系统也会将要转移的地址送 入 PC，使系统始终按照 PC 寄存器内容所指的地址取指令。IR 寄存器在这个过程中用来保 存取指阶段取出的指令，并为指令译码提供相关的信息，取出的指令直到执行完一直呆在 IR 寄存器中。 4．CPU 内部的数据通路可以采用几种不同的方式，对比单总线数据通路、双总线数据 通路和三总线数据通路，说明它们的优缺点。 答：CPU 内部的数据通路可以采用单总线数据通路、双总线数据通路和三总线数据通 路几种不同的方式。 单总线数据通路的优点是：总线结构简单，花费最小。缺点是：限制了在同一时钟周期 内数据传输的数量，从而降低了 CPU 总体的性能。
作。例如：ADD R2 , R3 , R4 指令，在执行阶段，机器直接将 R3 和 R4 的内容送入运算器相 加，结果送入 R2 寄存器中。 （2）直接寻址：操作数存储在主存的地址单元中，在指令中指出了该单元的有效地址， 寻址时，机器需要按指令指定的有效地址访存一次才能读出这个操作数。例如：LOAD R3 , A 指令，在执行阶段，机器按 A 所指的有效地址访存一次读出操作数，并将这个操作数送 入 R3 寄存器中。 （3）立即数寻址：操作数就在指令字中，机器可直接从指令寄存器中取出操作数。例 如：ADDI R2 , R3 , 10 指令，在执行阶段，机器从指令寄存器中取出这个操作数 10，和 R3 的内容在运算器中相加，结果送入 R2 寄存器中。 （4）相对寻址：在指令字中存放了相对地址，在寻址时，机器需要将这个相对地址与 PC 的值相加作为有效地址访存才能取出操作数。 例如： LOADR R5 , 10 指令， 在执行阶段， 机器从指令寄存器中取出这个相对地址 10， 和 PC 的内容在运算器中相加形成操作数的有效 地址，然后用这个有效地址去访存取出操作数，送入 R5 寄存器中。 （5）变址寻址：在指令字中存放了变址值，在寻址时，机器需要将这个变址值与指定 寄存器的值相加作为有效地址访存才能取出操作数。例如：LOAD R3 , 4(R5)指令，在执行 阶段，机器从指令寄存器中取出变址值 4，和 R5 的内容在运算器中相加形成操作数的有效 地址，然后用这个有效地址去访存取出操作数， ，送入 R3 寄存器中。 10．在模型机中将指令周期分为哪几个工作周期？ 答：在模型机中将指令周期分为 6 个工作周期，即取指周期 FT、取源操作数周期 ST、 取目的操作数周期 DT、执行周期 ET、中断响应周期 IT 和 DMA 传送周期 DMAT。 11．三级时序系统中的三级是指哪三级？每一级的作用是什么？ 答：三级时序系统中的三级是指工作周期（又称为机器周期或 CPU 周期） 、节拍和脉冲 这三级。 通常把指令周期分为几个工作阶段， 每个工作阶段也称为一个工作周期。 每个工作周期 完成一个基本操作，例如，取指周期完成取指操作；取源操作数周期完成取源操作数操作； 执行周期完成具体的运算操作等。 把一个工作周期等分成若干个时间区间， 每一时间区间称为一个节拍。 一个节拍对应一 个电位信号，控制一个或几个微操作的执行。 在一个节拍内，有时需要设置一个或几个工作脉冲，用于寄存器的复位和接收数据等。 12．某机 CPU 的主频为 8MHz，其时钟周期是多少微秒？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微秒？ （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 0.4s 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 40 万次/s 的指令执行速度，则应采用主频为多少 MHz 的 CPU 芯片？ 解：时钟周期=1/主频=1/8=0.125s，机器周期=0.125×4=0.5s。 ⑴ 平均指令周期=1/平均指令执行速度=1/0.8=1.25s。 ⑵ 平均每个指令周期含有的机器周期数=平均指令周期/机器周期=1.25/0.5=2.5。 ⑶ 若改用时钟周期为 0.4s 的 CPU 芯片，即主频=1/0.4=2.5MHz，则根据平均指令速 度与机器主频之间的关系，得平均指令执行速度为：(0.8MIPS×2.5MHz)/8MHz=0.25 MIPS。 ⑷ 若要得到 40 万次/s 的指令执行速度，即 0.4MIPS，则 CPU 芯片的主频应为： (8MHz×0.4MIPS)/0.8MHz=4MHz
R2OUT1、 R3OUT2、 SUB、 R2 减去 R3 的内容后送 C。 CPC COUT、CP2R2 将 C 的内容送 R2。
7．按照图 3．4 所示的三总线数据通路，写出 SUB R2，R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列。 答：SUB R2，R3。这是一条减法指令，属于寄存器寻址方式，操作数和结果都存在寄 存器中。其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容，结果存入寄存器 R2 中。其指令流程 如表 3．27：