计组第9章..ppt

控制单元CU 第第 九九 章章 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 1414 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=2.5µs A机时钟周期=1/8MHz=125ns A机机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs A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 83ns B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=1.66µs B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 应应采用主频为频为 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s 0.8s 10s 1.4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 = 0.78125MIPS 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 = 1/6MHz≈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≈1.3MIPS 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 CUIR IRi 时钟源 PCMARMDR PCi PCo MARiMDRi MDRo AC ACi ACo Y Yi ALU ALUi Z Zo … 控制信号 … 控制信号 地址线数据线 存储器 R W +1 CPUCPU内部总线内部总线 （1） ADD B，C指令流程及微命令序列如下：   OP=OP=？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR      ADDADD PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i Bo，Yi Co，ALUi，+ Zo，Bi ADDADD   B BY Y Z ZB B （（Y Y））+ +（（C C））Z Z       （2） SUB A，H指令流程及微命令序列如下：   OP=OP=？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR      SUBSUB PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i Ho，Yi ACo，ALUi，– Zo，ACi SUBSUB   HHY Y Z ZACAC （（ACAC））– –（（HH））Z 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：   PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i B Bo o ，，PCPC i i 注：注：指令中指令中B B为寄存器名为寄存器名 OP=OP=？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR     JMP JMP B B PCPC   （2） “STA @ X”指令流程图及微命令序列如下：   PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i I=1I=1？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR     Y Y 转间址操作转间址操作 MDRo，MARi 1 R MDRo，MARi ACo，MDRi 1 W 注：指令中X为为形式地址 间址操作间址操作  X(MDR)X(MDR)MARMAR MDRMDRMARMAR MMMM读读       OP=?OP=?  STASTA ACACMDRMDR   MMMM写写   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）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： OP=OP=？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR      ADDADD  PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i R2o，Yi R4o，MARi 1 R MDRo，ALUi，+ Zo，R2i ADDADD   R R2 2 Y Y Z ZR R 2 2 (Y)+(MDR)(Y)+(MDR)Z Z       R R4 4 MARMAR   MMMM读读   （2）SUB R1，@ mem指令流程图和全部微命令如下： I=1I=1？？ PCMAR MM读 PC+1 PC MDR MDR IRIR      转间址操作转间址操作  PCPC o o ，，MARMAR i i 1 1 R R +1+1（（图中未标出，图中未标出， 可与前一步并行）可与前一步并行） MDRMDR o o ，，IRIR i i MDRo，MARi 1 R R1o，Yi MDRo，ALUi，– Zo，R1i SUBSUB   R R1 1 Y Y Z ZR R 1 1 (Y) (Y) – – (MDR)(MDR)Z Z       间址操作间址操作  mem(MDR)mem(MDR)MARMAR MMMM读读     OP=?。