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计算机组成原理第五章答案

第5章习题参考答案

1.请在括号内填入适当答案。在CPU中:

(1)保存当前正在执行的指令的寄存器是(IR );

(2)保存当前正在执行的指令地址的寄存器是(AR )

(3)算术逻辑运算结果通常放在(DR )和(通用寄存器)。

2.参见图5.15的数据通路。画出存数指令“STO Rl,(R2)”的指令周期流程图,其含义是将寄存器Rl的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。

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解:

STO R1, (R2)的指令流程图及微操作信号序列如下:

STO R1, (R2)

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R/W=R

DR O, G, IR i

R2O, G, AR i

R1O, G, DR i

R/W=W

3.参见图5.15的数据通路,画出取数指令“LAD (R3),R0”的指令周期流程图,其含义是将(R3)为地址主存单元的内容取至寄存器R2中,标出各微操作控制信号序列。

解:

LAD R3, (R0)的指令流程图及为操作信号序列如下:

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PC O , G, AR i R/W=R DR O , G, IR i

R 3O , G, AR i DR O , G, R 0i

R/W=R LAD (R3), R0

4.假设主脉冲源频率为10MHz ,要求产生5个等间隔的节拍脉冲,试画出时序产生器的逻辑图。 解:

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5.如果在一个CPU 周期中要产生3个节拍脉冲;T l =200ns ,T 2=400ns ,T 3=200ns ,试画出时序产生器逻辑图。

解:取节拍脉冲T l 、T 2、T 3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns ,即,其频率为5MHz.;由于要输出3个节拍脉冲信号,而T 3的宽度为2个时钟周期,也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期,所以除了C 4外,还需要3个触发器——C l 、C 2、C 3;并令

211C C T *=;321C C T *=;313C C T =,由此可画出逻辑电路图如下:

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6.假设某机器有80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位,请估算控制存储器容量。

解:80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条公用微指令,所以总微指令条数为80? (4-1)+1=241条微指令,每条微指令32位,所以控存容量为:241?32位

7.某ALU器件是用模式控制码M S3 S2 S1 C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码,其中y为二进制变量,φ为0或l任选。

试以指令码(A,B,H,D,E,F,G)为输入变量,写出控制参数M,S3,

S2

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解:

由表可列如下逻辑方程

M=G

S3=H+D+F

S2=A+B+D+H+E+F+G

S1=A+B+F+G

C=H+D+Ey+Fy

8.某机有8条微指令I1—I8,每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。a—j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限为8

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解:因为有10种不同性质的微命令信号,如果采用直接表示法则需要10位控制字段,现控制字段仅限于8位,那么,为了压缩控制字段的长度,必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令组合在一个小组中,进行分组译码。

经分析,(e,f,h)和(b,i,j)、或(d,i,j)和(e,f,h)、或(g,b,j)和(i,f,h)均是不可能同时出现的互斥信号,所以可将其通过2:4译码后输出三个微命令信号(00表示该组所有的微命令均无效),而其余四个微命令信号用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。

e f h b i j

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e f h d i j

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f h i b

g j

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9.微地址转移逻辑表达式如下:

μA8 = P1·IR6·T4

μA7 = P1·IR5·T4

μA6 = P2·C·T4

其中μA8—μA6为微地址寄存器相应位,P1和P2为判别标志,C为进位标志,IR5和IR6为指令寄存器的相应位,T4为时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义,画出微地址转移逻辑图。

解:

μA5=P3·IR5·T4

μA4=P3·IR4·T4

μA3=P1·IR3·T4

μA2=P1·IR2·T4

μA1=P1·IR1·T4

μA0=P1·IR0·T4+P2·C·T4

用触发器强置端(低有效)修改,前5个表达式用“与非”门实现,最后1个用“与或非”门实现

μA2、μA1、μA0触发器的微地址转移逻辑图如下:(其他略)

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10.某计算机有如下部件,ALU,移位器,主存M,主存数据寄存器MDR,主存地址寄存器MAR,指令寄存器IR,通用寄存器R0 R3,暂存器C和D。

(1)请将各逻辑部件组成一个数据通路,并标明数据流动方向。

(2)画出“ADD R1,R2”指令的指令周期流程图。

解:

(1) 设该系统为单总线结构,暂存器C和D用于ALU的输入端数据暂存,移位器作为ALU输出端的缓冲器,可对ALU的运算结果进行附加操作,则数据通路可设计如下:

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(2) 根据上面的数据通路,可画出“ADD R1,R2”(设R1为目的寄存器)的指令周期流程图如下:

ADD R1, R2

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11.已知某机采用微程序控制方式,控存容量为512*48位。微程序可在整个控存中实现转移,控制微程序转移的条件共4个,微指令采用水平型格式,后继微指令地址采用断定方式。请问;

(1)微指令的三个字段分别应为多少位?

(2)画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。

解:

(1) 因为容量为512*48位,所以下址字段需用9位,控制微程序转移的条件有4个,所以判别测试字段需4位或(3位译码),因此操作控制字段的位数48-9-4=35位(或48-9-3=36位)

(2)微程序控制器逻辑框图参见教材P.147图5.23

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12.今有4级流水线,分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步

操作的时间依次为100ns ,100ns ,80ns ,50ns 。请问; (1)流水线的操作周期应设计为多少?

(2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么第2条指令要推迟多少时间进行?

(3)如果在硬件设计上加以改进,至少需推迟多少时间? 答:

(1) 流水操作周期为max(100,100,80,50)=100ns

(2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么在第1条指令“送结果”步骤完成后,第2条指令的“取数”步骤才能开始,也就是说,第2条指令要推迟两个操作周期,即200ns 才能进行。

(3) 如果在硬件设计上加以改进,采用定向传送的技术,则只要第1条指令完成“运算”的步骤,第2条指令就可以“取数”了,因此至少需推迟100ns 。

13.指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB)五个过程段,共有20条指令连续输入此流水线。 (1)画出流水处理的时空图,假设时钟周期为100ns 。

(2)求流水线的实际吞吐率(单位时间里执行完毕的指令数)。 (3)求流水线的加速比。 解:

(1) 流水处理的空图如下,其中每个流水操作周期为100ns :

空间I 20

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EX ID IF

1

2

3

4

5

6

?

19

20

21

22

23

24

时间T

(2) 流水线的实际吞吐量:执行20条指令共用5+1?19=24个流水周期,共2400ns ,所以实际吞吐率为:

秒百万条指令/333.810

240020

9

≈?- (3) 流水线的加速比为 : 设流水线操作周期为τ,

则n 指令串行经过k 个过程段的时间为n*k*τ ;

而n 条指令经过可并行的k 段流水线时所需的时间为(k+n-1)*τ; 故20条指令经过5个过程段的加速比为:

()17.4195520≈?+??τ

τ

14.用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。 解:

设流水计算机的指令流水线分为4个过程段:IF 、ID 、EX 、WB ,则流水计算机的时空图如下:

空间

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T

非流水计算机的时空图:

空间I 2

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1

2

3

4

5

6

7

8

时间T

由图中可以看出,同样的8个操作周期内,流水计算机执行完了5条指令,而非流水计算机只执行完了2条指令;由此,可看出流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

15.用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

证明:

设流水计算机具有k 级流水线,每个操作周期的时间为τ,执行n 条指令的时间为:()τ?-+=1n k T ; 吞吐率为:()τ

?-+=

11n k n

H

而非流水计算机,执行n 条指令的时间为:τ??=k n T ;

吞吐率为:τ

??=k n n

H 2

()1

121-+?=?-+??=n k k

n n k k n H H ττ 当n=1时,21H H =;

当n>1时,21H H >,即:流水计算机具有更高的吞吐率。

16.判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关?

(1) I 1 LAD R1,A ; M(A)→R1,M(A)是存储器单元 I 2 ADD R2,Rl ; (R2)+(R1)→R2 (2) I 1 ADD R3,R4 ; (R3)+(R4)→R3 I 2 MUL R4,R5 ; (R4)?(R5)→R4

(3) I 1 LAD R6,B ; M(B)→R6,M(B)是存储器单元

I 2 MUL R6,R7 ; (R6)? (R7)→R6 解:

(1) I 1的运算结果应该先写入R 1,然后再在I 2中读取R 1的内容作为操作数,所以是发生RAW (“写后读”)相关 (2) WAR

(3) RAW 和WAW 两种相关

17.参考图5.39所示的超标量流水线结构模型,现有如下6条指令序列: I 1 LAD R1,B ; M(B)→R1,M(B)是存储器单元 I 2 SUB R2,Rl ; (R2)-(R1)→R2 I 3 MUL R3,R4 ; (R3)*(R4)→R3 I 4 ADD R4,R5 ; (R4)+(R5)→R4

I 5 LAD R6,A ; M(A)→R6,M(A)是存储器单元

I6ADD R6,R7 ;(R6)+(R7)→R6

请画出:(1)按序发射按序完成各段推进情况图。

(2)按序发射按序完成的流水线时空图。

解:

(1)按序发射按序完成各段推进情况图如下(仍设F、D段要求成对输入;F、D、

W段只需1个周期;加需要2个周期;乘需要3个周期;存/取数需要1个周期;执行部件内部有定向传送,结果生成即可使用):

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取/存加法器乘法器

(2) 按序发射按序完成的流水时空图如下:

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I

I