计算机组成原理(唐朔飞)课后答案全-第9章.
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。,14,4. 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=2.5s A机时钟周期=1/8MHz=125ns A机机器周期=125ns4=500ns=0.5sA机每个指令周期中含机器周期个数 =2.5s0.5s=5个B机时钟周期 =1/12MHz 83nsB机机器周期 =83ns4 =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=332ns5=1.66sB机平均指令执行速度=1/1.66s =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=0.12510-6 =125ns机器周期=125ns2=250ns平均指令周期=250ns4=1000ns=1s平均指令执行速度=1/1s=1MIPS 当参数改变后：机器周期= 125ns4=500ns=0.5s 平均指令周期=0.5s4=2s 平均指令执行速度=1/2s=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0.4s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=0.110-6 =100ns 机器周期=100ns4=400ns=0.4s 平均指令周期=1/1MIPS =110-6=1s 每个指令周期所含机器周期个数 = 1s/0.4s=2.5个,当芯片改变后，相应参数变为： 机器周期=0.4s4=1.6s 平均指令周期=1.6s2.5=4s 平均指令执行速度=1/4s =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=1.25s 机器周期=1.25s2.5=0.5s 时钟周期= 0.5s4=0.125s 主频=1/0.125s=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 0.6s 0.8s 10s 1.4s 使用频度 35% 45% 5% 15%,解：指令平均运行时间 =（0.60.35 +0.80.45+100.05+1.40.15）s = 0.21+0.36+0.5+0.21 = 1.28s 机器平均运行速度 = 1/1.28s = 0.78125MIPS CPU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 = 1/6MHz0.16667s 指令平均运行周期数=1.28s/0.16667s7.68CPI 升级后时钟周期 = 1/10MHz 0.1s 指令平均运行时间0.1s7.680.768s 机器平均运行速度1/0.768s1.3MIPS,11. 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）ADD B，C；(B)+(C) B)（2）SUB A，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。,（1） ADD B，C指令流程及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi,Bo，YiCo，ALUi，+Zo，Bi,ADD ,BY,ZB,（Y）+（C）Z,（2） SUB A，H指令流程及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi,Ho，YiACo，ALUi，Zo，ACi,SUB ,HY,ZAC,（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，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi Bo，PCi 注：指令中B为寄存器名。,（2） “STA X”指令流程图及微命令序列如下： ,PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi,MDRo，MARi1 RMDRo，MARiACo，MDRi1 W注：指令中X为形式地址,13. 设CPU内部结构如图9.4所示，此外还设有R1R4四个寄存器，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）ADD R2， R4 ；（(R2)+(R4) R2，寄存器间接寻址） （2）SUB R1， mem ；（(R1)-(mem) R1，存储器间接寻址） 解：解题方法步骤同第11题。 （1） “ADD R2， R4”指令的流程图和全部微操作控制信号如下：,“ADD R2， R4”指令的流程图和全部微操作命令：,PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi,R2o，YiR4o，MARi1 RMDRo，ALUi，+Zo，R2i,（2）SUB R1， mem指令流程图和全部微命令如下：,PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi,MDRo，MARi1 RR1o，YiMDRo，ALUi，Zo，R1i,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“SUB D(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） “SUB D(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PCBusMAR，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，MARi R/-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）,PCo，IRo，+，EARiEARo，MARiR/-W=RMDRo，ACCi,（2）“SUB D(XR)”指令周期流程图及控制信号序列：,PCo，MARi R/-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）,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。,
