控制单元-9

控制单元CU第九章3.什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？解：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。144.能不能说CPU的主频越快，计算机的运行速度就越快？为什么？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。5.设机器A的CPU主频为8MHz，机器周期含4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试求该机的平均指令周期和机器周期，每个指令周期中含几个机器周期？如果机器B的CPU主频为12MHz，且机器周期也含4个时钟周期，试问B机的平均指令执行速度为多少MIPS?解：先通过A机的平均指令执行速度求出其平均指令周期，再通过主频求出时钟周期，然后进一步求出机器周期。B机参数的算法与A机类似。计算如下：A机平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5µsA机时钟周期=1/8MHz=125nsA机机器周期=125ns×4=500ns=0.5µsA机每个指令周期中含机器周期个数=2.5µs÷0.5µs=5个B机时钟周期=1/12MHz83nsB机机器周期=83ns×4=332ns设B机每个指令周期也含5个机器周期，则：B机平均指令周期=332ns×5=1.66µsB机平均指令执行速度=1/1.66µs=0.6MIPS结论：主频的提高有利于机器执行速度的提高。6.设某计算机的CPU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4个机器周期，试问该计算机的平均指令执行速度为多少MIPS？若CPU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4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：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：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×4=1000ns=1µs平均指令执行速度=1/1µs=1MIPS当参数改变后：机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs平均指令周期=0.5µs×4=2µs平均指令执行速度=1/2µs=0.5MIPS结论：两个主频相同的机器，执行速度不一定一样。7.某CPU的主频为10MHz，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1MIPS，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？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？若要得到平均每秒80万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的CPU芯片？解：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=1/10MHz=0.1×10-6=100ns机器周期=100ns×4=400ns=0.4µs平均指令周期=1/1MIPS=1×10-6=1µs每个指令周期所含机器周期个数=1µs/0.4µs=2.5个当芯片改变后，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若要得到平均每秒80万次的指令执行速度，则应采用的主频为：平均指令周期=1/0.8MIPS=1.25×10-6=1.25µs机器周期=1.25µs÷2.5=0.5µs时钟周期=0.5µs÷4=0.125µs主频=1/0.125µs=8MHz应采用主频为8MHz的CPU芯片。8.某计算机的主频为6MHz，各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示，试计算该机的速度（单位用MIPS表示），若上述CPU芯片升级为10MHz，则该机的运行速度又为多少？指令类别存取加、减、比较、转移乘除其他平均指令执行时间0.6s0.8s10s1.4s使用频度35%45%5%15%解：指令平均运行时间=（0.6×0.35+0.8×0.45+10×0.05+1.4×0.15）µs=0.21+0.36+0.5+0.21=1.28µs机器平均运行速度=1/1.28µs=0.78125MIPSCPU芯片升级后，机器平均运行速度计算：方法一：0.78125MIPS×(10MHz/6MHz)≈1.3MIPS方法二：时钟周期=1/6MHz≈0.16667µs指令平均运行周期数=1.28µs/0.16667µs≈7.68CPI升级后时钟周期=1/10MHz≈0.1µs指令平均运行时间≈0.1µs×7.68≈0.768µs机器平均运行速度≈1/0.768µs≈1.3MIPS11.设CPU内部结构如图9.4所示，此外还设有B、C、D、E、H、L六个寄存器，它们各自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别受控制信号控制（如Bi为寄存器B的输入控制；Bo为寄存器B的输出控制）。要求从取指令开始，写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号。（1）ADDB，C；((B)+(C)B)（2）SUBA，H；((AC)-(H)AC)解：先画出相应指令的流程图，然后将图中每一步数据通路操作分解成相应的微操作，再写出同名的微命令即可。控制信号举例：图9.4在此基础上再加B、C、D、E、H、L六个寄存器，连法和控制信号定义方式与图中其它寄存器一样。CUIRIRi时钟源PCMARMDRPCiPCoMARiMDRiMDRoACACiACoYYiALUALUiZZo…控制信号…控制信号地址线数据线存储器RW+1CPU内部总线（1）ADDB，C指令流程及微命令序列如下：OP=？PCMARMM读PC+1PCMDRIRADDPCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiBo，YiCo，ALUi，+Zo，BiADDBYZB（Y）+（C）Z（2）SUBA，H指令流程及微命令序列如下：OP=？PCMARMM读PC+1PCMDRIRSUBPCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiHo，YiACo，ALUi，–Zo，ACiSUBHYZAC（AC）–（H）Z12.CPU结构同上题，写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号（包括取指令）。（1）寄存器间接寻址的无条件转移指令“JMP@B”。（2）间接寻址的存数指令“STA@X”。解：解题方法步骤同上题。（1）“JMP@B”指令的流程图和全部微操作控制信号如下：“JMP@B”指令流程图及微命令序列：PCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiBo，PCi注：指令中B为寄存器名。OP=？PCMARMM读PC+1PCMDRIRJMPBPC（2）“STA@X”指令流程图及微命令序列如下：PCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiI=1？PCMARMM读PC+1PCMDRIRY转间址操作MDRo，MARi1RMDRo，MARiACo，MDRi1W注：指令中X为形式地址间址操作X(MDR)MARMDRMARMM读OP=?STAACMDRMM写13.设CPU内部结构如图9.4所示，此外还设有R1~R4四个寄存器，它们各自的输入和输出端都与内部总线相通，并分别受控制信号控制（如R2i为寄存器R2的输入控制；R2o为寄存器R2的输出控制）。要求从取指令开始，写出完成下列指令所需的全部微操作和控制信号。（1）ADDR2，@R4；（(R2)+((R4))R2，寄存器间接寻址）（2）SUBR1，@mem；（(R1)-((mem))R1，存储器间接寻址）解：解题方法步骤同第11题。（1）“ADDR2，@R4”指令的流程图和全部微操作控制信号如下：“ADDR2，@R4”指令的流程图和全部微操作命令：OP=？PCMARMM读PC+1PCMDRIRADDPCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiR2o，YiR4o，MARi1RMDRo，ALUi，+Zo，R2iADDR2YZR2(Y)+(MDR)ZR4MARMM读（2）SUBR1，@mem指令流程图和全部微命令如下：I=1？PCMARMM读PC+1PCMDRIR转间址操作PCo，MARi1R+1（图中未标出，可与前一步并行）MDRo，IRiMDRo，MARi1RR1o，YiMDRo，ALUi，–Zo，R1iSUBR1YZR1(Y)–(MDR)Z间址操作mem(MDR)MARMM读OP=?14.设单总线计算机结构如图9.5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为锁存器。假设指令地址已存于PC中，画出“LDA*D”和“SUBD(XR)”指令周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。说明：（1）“LDA*D”指令字中*表示相对寻址，D为相对位移量。（2）“SUBD(XR)”指令字中D为形式地址。（3）寄存器的输入和输出均受控制信号控制，例如，PCi表示PC的输入控制信号，MDRo表示MDR的输出控制信号。（4）凡是需要经过总线实现寄存器之间的传送，需在流程图中注明，如PC→Bus→MAR，相应的控制信号为PCo和MARi。（1）“LDA*D”指令周期流程图及控制信号序列：PCo，MARiR/-W=R（MAR、MDR与M直连，故不需控制）MDRo，IRi+1（图中未标出，可与前一步并行）OP=？PCBusMARM(MAR)MDRPC+1PCMDRBusIRLDAPCo，IRo，+，EARiEARo，MARiR/-W=RMDRo，ACCiLDAPC+D(IR)EARMDRBusACCEARBusMARM(MAR)MDR（2）“SUBD(XR)”指令周期流程图及控制信号序列：PCo，MARiR/-W=R（MAR、MDR与M直连，故不需控制）MDRo，IRi+1（图中未标出，可与前一步并行）OP=？PCBusMARM(MAR)MDRPC+1PCMDRBusIRSUBXRo，IRo，+，EARiEARo，MARiR/-W=RMDRo，ACCo，Ki=﹣LATCHiLATCHo，ACCi注：设MDR通过总线可直达ALU右输入端。SUBXR+D(IR)EARLATCHBusACCEARBusMARM(MAR)MDRACC﹣MDRLATCH