西安交大计算机组成原理—习题解答(第八章)

©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.第八章控制器习题解答计算机组成原理©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.1什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快？为什么？答：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度=主存周期；时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期=计算机主频的倒数。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，还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运算能力、指令功能强弱等多种因素有关，要看综合效果。第八章8.1©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.2请分别分析用硬布线和门阵列两种组合逻辑控制单元设计技术设计控制器的特点。解：这两种技术采用的设计方法一样，均为组合逻辑设计技术，但实现方法不一样。硬布线控制单元基于传统的逻辑门电路组合逻辑设计方法来构建控制单元，门阵列控制器则采用集成度更高、性能更好的门阵列芯片，利用硬件描述语言等工具编程完成逻辑设计、通过烧制实现门阵列芯片内部的电路制作。第八章8.2©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.5假设主脉冲源频率为10MHz，在此条件下：（1）要求一个CPU周期中产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图及时序波形图；（2）如果主脉冲源频率变为5MHz，要求一个CPU周期中产生3个节拍脉冲，T1=200ns，T2=400ns，T3=200ns，试画出时序产生器的逻辑图及时序波形图。第八章8.5©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.⑴时序产生器逻辑图如下：第八章8.5⑴解时序产生器节拍译码逻辑如下：T1=C1·/C2T2=C2·/C3T3=C3·/C4T4=C4T5=/C1C1QDQ。C2QDQ。C3QDQ。。。。&。&。C5QDQ。。10MH脉冲源1。。&&&T3T1T2+5VCLRSRRRC4QQ。DR。&&T5T4............©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.时序波形图如下：1234567891011121314C5C1C2C3C4T1T2T3T4T5CPU周期CPU周期第八章8.5⑴解时序波形图©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.⑵时序产生器逻辑图如下：C1QDQ。C2QDQ。C3QDQ。。。。&。&。C4QDQ。。脉冲时钟源1。。&&&T3T1T2+5VCLRSRRR........节拍译码逻辑如下：T1=C1·/C2T2=C2T3=/C1第八章8.5⑵解时序产生器©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.时序波形图如下：123456C4C1C2C3T1T2T3200ns400ns200nsCPU周期第八章8.5⑵解时序波形图©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.6设微处理器的主频为16MHz，平均每条指令的执行时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成，问：（1）存储器为“0等待”，求出机器运算速度；（注：“0等待”表示存储器可在一个机器周期完成读/写操作，因此不需要插入等待时间。）（2）假如每两个机器周期中有一个是访存周期，且访存周期需插入1个时钟周期的等待时间，求机器运算速度。第八章8.6©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.⑴存储器为“0等待”时：时钟周期=1/16MHz=1/(16×106)=0.0625×10-6=62.5ns机器周期=62.5ns×2=125ns平均指令周期=125ns×2=250ns机器运算速度=1/250ns=0.004×109=4MIPS=2×2=4CPI⑵访存周期=62.5ns×3=187.5ns平均指令周期=125ns+187.5ns=312.5ns机器运算速度=1/312.5ns=0.0032×109=3.2MIPS=2+3=5CPI第八章8.6解©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.评注：本题为计算机速度指标计算题。计算机运算速度是计算机主要技术指标之一，普遍采用单位时间内执行指令的平均条数来衡量，常用MIPS（每秒执行百万条指令数）及CPI（执行一条指令所需时钟周期数）作为计量单位，本题的求解就是围绕这两个单位进行的。通过本题的计算，主要要求分清计算机工作时间中“指令周期—机器周期—时钟周期”三种周期的层次关系，一般而言，一个指令周期可划分为若干个机器周期，一个机器周期又可划分为若干个时钟周期，而时钟周期又是由主频的倒数决定的。第八章8.6评注©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.第八章8.78.7设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令平均有2.5个机器周期，试问：⑴该机的平均指令执行速度为多少MIPS？⑵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？⑶由此可得出什么结论？解：先通过主频求出时钟周期，再求出机器周期和平均指令周期，最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令执行速度。计算如下：©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.⑴时钟周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns机器周期=125ns×2=250ns平均指令周期=250ns×2.5=625ns=0.625µs平均指令执行速度=1/625ns=1.6MIPS⑵当参数改变后机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs平均指令周期=0.5µs×5=2.5µs平均指令执行速度=1/2.5µs=0.4MIPS⑶结论：两个主频相同的机器，执行速度不一定一样。第八章8.7解©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.第八章8.88.8某CPU的主频为8MHz，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，⑴试求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机器周期？⑵若改用时钟周期为0.4μs的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少MIPS？⑶若要得到平均每秒40万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的CPU芯片？©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.第八章8.8⑴⑵解解：⑴先通过主频求出时钟周期时间，再进一步求出机器周期和平均指令周期。时钟周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs平均指令周期=1/0.8MIPS=1.25×10-6=1.25µs每个指令周期所含机器周期个数=1.25µs/0.5µs=2.5个⑵当芯片改变后，相应参数变为：机器周期=0.4µs×4=1.6µs平均指令周期=1.6µs×2.5=4µs平均指令执行速度=1/4µs=0.25MIPS©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.⑶若要得到平均每秒40万次的指令执行速度，则应采用的主频为：平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5×10-6=2.5µs机器周期=2.5µs÷2.5=1µs时钟周期=1µs÷4=0.25µs主频=1/0.25µs=4MHz应采用主频为4MHz的CPU芯片。第八章8.8⑶解©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.10在微程序控制器中，微程序计数器μPC可以用具有加1功能的微地址寄存器μMAR来代替，试问程序计数器PC是否可以用具有加1功能的存储器地址寄存器MAR代替？为什么？解：在微程序控制器中，微程序计数器μPC可以用具有加1功能的微地址寄存器μMAR来代替，但程序计数器PC不可以用具有加1功能的存储器地址寄存器MAR代替，因为控存中存放的全部是微程序，μMAR中存放的全部是微地址，μMAR的功能已等同于μPC，因此可以代替。而存储器的工作性质与控存完全不同，它是一个公用的存储部件，当指令执行期间需要取数据时，数据地址送入MAR，如果此时MAR中放有程序地址，则该地址将被破坏。第八章8.10©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.8.12某32位机共有微操作控制信号52个，构成5个相斥类的微命令组，各组分别包含4个、5个、8个、15个和20个微命令。已知可判定的外部条件有CY和ZF两个，微指令字长29位。（1）采用增量与下址字段相结合方式设计水平型微指令格式；（2）可由微指令直接访问的控制存储器的容量应为多大？解：⑴5个相斥微命令组分别用A、B、C、D、E表示，水平型微指令格式如下：3344528A(4个)B(5个)C(8个)D(15个)E(20个)转移条件转移地址⑵控存容量=28×29=256×29位第八章8.12顺序控制字段操作控制字段©2012ComputerOrganizationGroup.Allrightsreserved.第八章8.138.13某微程序计算机具有16条指令M1～M16，每条微指令要产生的微命令信号如下表所示：表中，a～p分别对应16种不同的微命令，假设一条微指令长20位，其中顺序控制字段为10位，控存容量为512×20位。要求：⑴采用“直接编码法”或“字段直接编码法”设计此机器的微指令操作控制字段格式，要求所设计的格式译码速度尽可能快；⑵采用断定方式设计此机微指令的顺序控制字段格式，要求微程序可实现8路分支转移，并对T0～T3四种状态进行测试，其