《计算机组成原理》第六章中央处理器 部分课后习题答案 清华大学出版_秦磊华_谭志虎

6.1
指令周期:取指令并执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成,包括从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。一般情况下,一条指令所需的最短时间为两个机器周期:取指周期和执行周期
指令周期流程:
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取指周期:根据PC中的内容取出指令代码并存放在IR中
间址周期:根据IR中指令地址码取操作数有效地址
执行周期:根据指令字的操作码和操作数进行相应的操作
中断周期:保存断点,送中断向量,处理中断请求
四个工作周期都有CPU访存操作,只是访存的目的不同。取指周期是为了取指令,间指周期是为了取有效地址,执行周期是为了取操作数,中断周期是为了保存程序断点。
MAR:主存地址寄存器
MDR:主存数据寄存器
IR:指令寄存器

数据通路:数据在功能部件之间传送的路径。
数据通路的基本结结构:
1、CPU内部单总线方式
2、CPU内部多总线方式
3、专用数据通路方式

机器周期:一般将一个指令周期划分为若干机器周期,每个机器周期完成一个基本操作,如取指周期、取数周期、执行周期、中断周期等。一个机器周期可由若干节拍组成,一个节拍可以安排一个或几个工作脉冲。

节拍(时钟周期):是计算机操作的最小时间单位。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

同步控制:选取部件中最长的操作时间作为统一的时间间隔标准,使所有部件都在这个时间间隔内启动并完成操作。

异步控制:系统不设立统一的时间间隔标准(基准时钟除外),各部件按各自的时钟工作,分别实现各自的时序控制,时间衔接通过应答通讯方式(又称握手方式)实现。

单周期处理器:所有指令在一个时钟周期内完成的处理器。

多周期处理器:每条指令的执行分成多个阶段,每个时钟周期完成一个阶段的工作。
时序发生器:

硬布线控制器:又称为组合逻辑控制器,指令执行所需要的控制信号直接由逻辑门电路和触发器等构成的电路产生,与微程序控制器相比,具有结构复杂但速度快的特点。

微命令:即控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令 。在微指令的控制字段中,每一位代表一个微命令。

微指令:由微指令产生的一组实现一定微操作功能的微命令的组合。

微程序:实现一条指令功能的若干条微指令的集合。

微操作:执行部件收到微命令后所进行的操作。

公操作:在一条指令执行完毕后,CPU所开始进行的一些操作,这些操作主要是CPU对外围设备请求的处理,如中断处理、通道处理等。

相容性微命令:能同时并行执行的微命令。

互斥性微命令:不能并行执行的微操作。

取指微程序:取指令阶段属于公操作。取指令的公操作通常由一个取指微程序来完成。机器开始运行时,自动将“取指微程序”的入口地址送入微地址寄存器。根据入口地址来从控存中读出微指令送到微指令寄存器。自此取指微程序开始执行。当取指微程序执行完毕后,机器指令已被送入指令寄存器(IR)中。

微程序控制器:采用微程序设计方法设计的控制器。指令执行过程中所需要的所有控制信号以微指令的方式存在在控制存储器中,指令执行时,逐条读出微指令,以产生执行执行过程中所需要的控制信号。

微指令周期:指在串行方式的微程序控制器中,微指令周期等于读出微指令的时间加上执行该条微指令的时间。

控制存储器:微程序控制器中用于存放解释所有指令微程序的存储器。

水平型微指令:一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令。

垂直型微指令:微指令中设置微操作码字段,采用微操作码编译法,由微操作码规定微指令的功能。在一条垂直型微指令中,一般只能完成一个操作,控制了、一两个信息传送通路,因此微指令的并行操作能力低,效率低。

中断响应微程序:

6.2
(1)下列寄存器中,汇编语言程序员可见的是_______。
A.存储器地址寄存器(MAR)
B.程序计数器(PC)
C.存储器数据寄存器(MDR)
D.指令寄存器(IR)
(2)某指令功能为 R[r2]←R[r1]+M[R[r0]],其两个源操作数分别采用寄存器、寄存器间接寻址方式。对于下列 给定部件,该指令在取数及执行过程中需要用到的是( )。
Ⅰ.通用寄存器组(GPRs)
Ⅱ.算术逻辑单元(ALU)
Ⅲ.存储器(Memory)
Ⅳ.指令译码器(ID)

A.仅Ⅰ、Ⅱ
B.仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ
C.仅Ⅱ、Ⅲ、IV
D.仅Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ
(3)某计算机主存空间为4GB,字长为32位,按字节编址,采用32位字长指令字格式。若指令按字边界对齐存放,则程序计数器(PC)和指令寄存器(IR)的位数至少分别是______。
A.30、30
B.30、32
C.32、30
D.32、32
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(4)下列有关处理器时钟脉冲信号的叙述中,错误的是( )。
A.时钟脉冲信号由机器脉冲源发出的脉冲信号经整形和分频后形成
B.时钟脉冲信号的宽度称为时钟周期,时钟周期的倒数为机器主频
C.时钟周期以相邻状态单元间组合逻辑电路的最大延迟为基准确定
D.处理器总是在每来一个时钟脉冲信号时就开始执行一条新的指令
(5)单周期处理器中所有指令的指令周期为一个时钟周期。下列关于单周期处理器的叙述中,错误的是()
A.可以采用单总线结构数据通路
B.处理器时钟频率较低
C.在指令执行过程中控制信号不变
D.每条指令的CPI为1
(6)下列关于主存储器(MM)和控制存储器(CS)的叙述中,错误的是()
A.MM在CPU外,CS在CPU内
B.MM按地址访问,CS按内容访问
C.MM存储指令和数据,CS存储微指令
D.MM用RAM和ROM实现,CS用ROM实现
(7)相对于微程序控制器,硬布线控制器的特点是______。
A.指令执行速度慢,指令功能的修改和扩展容易
B.指令执行速度慢,指令功能的修改和扩展难
C.指令执行速度快,指令功能的修改和扩展容易
D.指令执行速度快,指令功能的修改和扩展难
(8)某计算机的控制器采用微程序控制方式,微指令中的操作控制字段采用字段直接编码法,共有33个微命令,构成5个互斥类,分别包含7、3、12、5和6个微命令,则操作控制字段至少有_______。
A.5位
B.6位
C.15位
D.33位
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(9)某计算机采用微程序控制器,共有32条指令,公共的取指令微程序包含2条微指令,各指令对应的微程序平均由4条微指令组成,采用断定法(下地址字段法)确定下条微指令地址,则微指令中下地址字段的位数至少是______。
A.5
B.6
C.8
D.9
(10)假定不采用Cache和指令预取技术,且机器处于“开中断”状态,则在下列有关指令执行的叙述中,错误的是_______。
A.每个指令周期中CPU都至少访问内存一次
B.每个指令周期一定大于或等于一个CPU时钟周期
C.空操作指令的指令周期中任何寄存器的内容都不会被改变
D.当前程序在每条指令执行结束时都可能被外部中断打断
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6.3
1、中央处理器的基本功能是什么?从实现其功能的角度分析,它应由哪些部件组成?
1、指令控制:完成取指令、分析指令和执行指令的操作,即嘘的顺序控制。
2、操作控制:一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合来实现的。CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号,吧各种操作信号送往相应的部件,从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
3、时间控制:对各种操作加以时间上的控制。时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号
4、数据加工:对数据进行算数和逻辑运算。
5、中断处理:对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。
组成:中央处理器主要由控制器和运算器两部分构成。控制器的主要功能包括:取指令、计算下一条指令的地址、对指令译码、产生相应的操作控制信号、控制指令执行的步骤和数据流动的方向。运算器是执行部件,由算术逻辑单元和各种寄存器组成。

2、CPU内部有哪些寄存器?它们的功能分别是什么?哪些是程序员可见的?哪些是必须的?
(1) 指令寄存器(IR):IR用于保存指令。从主存储器取出的指令存放在IR中,直到新的指令从主存中取出为止。
(2) 程序计数器(PC) :PC保存将要执行的指令地址,故又称指令地址寄存器。CPU取指令时,将PC的内容送到主存地址寄存器,然后修改PC的值形成下一条将要执行的指令地址
(3) 地址寄存器(AR):AR用来保存当前CPU所要访问的主存单元地址,无论CPU是取指令还是存取数据,都必须先将要访问的主存单元地址送AR,直到读/写操作完成。
(4) 通用寄存器组(GR):通用的含义是指寄存器的功能有多种用途,GR可作为ALU的累加器、变址寄存器、地址指针、指令计数器、数据缓冲器,用于存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。
(5) 数据缓冲寄存器(DR):DR作为CPU和主存之间的数据缓冲寄存器用于存放操作数、运算结果或中间结果,以减少访问主存的次数;也可存放从主存中读出的数据,或准备写入主存的数据。
(6) 程序状态字寄存器(PSW)
PSW用于保存由算术运算指令、逻辑运算指令、测试结果等建立的各种条件标志。常见的状态信息包括进位标志©、溢出标志(V)、结果为负数标志(S)及结果为零标志(Z)等。
可见寄存器:通用寄存器组,程序状态字寄存器,程序计数器pc

3、什么是取指周期?取指周期内应完成哪些操作?
取指周期就是从开始取指令到取指令完成所需要的时间。在取指周期内,CPU根据PC中的内容取出指令代码并存放在IR中。

4、计算机为什么要设置时序系统?
指令执行过程中的所有操作必须按照一定的次序完成,而且这些操作持续的时间也有严格的限制,因此,在计算机系统中需要设置时序系统,对指令执行过程中的所有控制信号进行时间控制,以保证指令功能的正确实现。

5、简述传统三级时序和现代时序的差异。

6、比较单周期MIPS处理器与多周期MIPS处理器的差异。

7、组合逻辑控制器与微程序控制器各有什么特点?
硬布线控制器又称为组合逻辑控制器,这种控制器中的控制信号直接由各种类型的逻辑门电路和触发器等构成,与微程序控制器相比,具有结构复杂但速度快的特点。
微程序控制器的设计采用了存储技术和程序设计技术,使复杂的控制逻辑得到简化。通过过读出存放在微程序控制器中微指令产生指令执行过程中所需要的控制信号,所以,与硬布线控制器相比,微程序控制器的速度较慢。

8、说明程序与微程序,指令与微指令的异同
程序则是为了完成某一应用功能所编写的指令(包括机器语言指令或高级语言指令)集合,属于高级语言级别,对用户的透明性好,运行时存放在计算机的主存中。微程序是多条微指令系列的集合,用于实现指令的功能,属于机器指令级别,对用于的透明性不强,存放在CPU内的控制存储器中;
指令是指挥计算机执行某种功能的命令,是构成程序的基本单位,由操作码和地址字段构成;而微指令则用于微程序控制器中产生指令执行过程中所需要的微命令,是构成微程序的基本单位,由操作控制字段、判别测试字段和下地址字段等组成。

9、命令有哪几种编码方法?它们是如何实现的?
微指令的微命令有三种编码方法,分别是直接表示方法、字段直接译码法和混合控制法。
直接表示法的基本思想是:将微指令操作控制字段的每个二进制位定义为一个微命令,用“1”或“0"表示相应的微命令的“有”或“无”。
字段直接译码法的基本思想是:将微指令格式中的操作控制字段分成若干组,每组中包含若干个互斥性微命令,将相容性的微命令安排在不同组。
混合控制法:将直接表示法与字段直接译码法混合使用,以便在微指令字长、并行性及执行速度和灵活性等方面进行折衷,发挥它们的共同优点。

10、简述微程序控制器和硬布线控制器的设计方法?
1、微程序控制器设计方法:
1)分析指令执行的数据通路,列出每条指令在所有寻址方式下的执行操作流程和每一步所需要的控制信号;
2)对指令的操作流程进行细化,将每条指令的每个微操作分配到具体的机器周期的各个时间节拍信号上;
(3)设计微指令格式、微命令编码方法和程序组织方式;
(4)编制每条指令的微程序;并按照所设计的微程序组织方式存放到控存中;
(5)对微命令进行同步控制,并送数据通路的相关控制点。
2、硬布线控制器设计方法:
1)分析指令执行的数据通路,列出每条指令在所有寻址方式下的执行操作流程和每一步所需要的控制信号;
2)对指令的操作流程进行细化,将每条指令的每个微操作分配到具体的机器周期的各个时间节拍信号上,即对操作控制信号进行同步控制。
3)对每一个控制信号进行逻辑综合,得到每个控制信号的逻辑表达式。
4)最后采用逻辑门或PLA或ROM实现逻辑表达式的功能,各控制信号送数据通路的相关控制点。

11、简述CPU内部异常和外部中断的区别。

12、简述异常与中断处理的一般流程。


原文连接:https://blog.csdn.net/Qian280101/article/details/121800017

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