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第5章习题参考答案第5章习题参考答案1请在括号内填入适当答案。在CPU中1保存当前正在执行的指令的寄存器是( IR )；2保存当前正在执行的指令地址的寄存器是( AR )3算术逻辑运算结果通常放在( DR )和( 通用寄存器 )。2参见图5.15的数据通路。画出存数指令“STO Rl，R2”的指令周期流程图，其含义是将寄存器Rl的内容传送至R2为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。解STO R1, R2的指令流程图及微操作信号序列如下3参见图5.15的数据通路，画出取数指令“LAD R3，R0”的指令周期流程图，其含义是将R3为地址主存单元的内容取至寄存器R2中，标出各微操作控制信号序列。解LAD R3, R0的指令流程图及为操作信号序列如下4假设主脉冲源频率为10MHz，要求产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图。解5如果在一个CPU周期中要产生3个节拍脉冲；Tl200ns，T2400ns，T3200ns，试画出时序产生器逻辑图。解取节拍脉冲Tl、T2、T3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns，即，其频率为5MHz.；由于要输出3个节拍脉冲信号，而T3的宽度为2个时钟周期，也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期，所以除了C4外，还需要3个触发器Cl、C2、C3；并令，由此可画出逻辑电路图如下6假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。解80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条公用微指令，所以总微指令条数为80 4-11241条微指令，每条微指令32位，所以控存容量为24132位7某ALU器件是用模式控制码M S3 S2 S1 C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，为0或l任选。 试以指令码A，B，H，D，E，F，G为输入变量，写出控制参数M，S3，S2，Sl，C的逻辑表达式。指令码MS3S2S1CA, BH, DEFG0000101010111111001101y yf解由表可列如下逻辑方程MGS3HDFS2ABDHEFGS1ABFGCHDEyFy8某机有8条微指令I1I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。aj分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限为8位，请安排微指令的控制字段格式。微指令abcdefghijI1I2I3I4I5I6I7I8解因为有10种不同性质的微命令信号，如果采用直接表示法则需要10位控制字段，现控制字段仅限于8位，那么，为了压缩控制字段的长度，必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令组合在一个小组中，进行分组译码。经分析，e,f,h和b,i,j、或d,i,j和e,f,h、或g,b,j和i,f,h均是不可能同时出现的互斥信号，所以可将其通过24译码后输出三个微命令信号00表示该组所有的微命令均无效，而其余四个微命令信号用直接表示方式。因此可用下面的格式安排控制字段。e f hb i j a c d gX XX X或e f hd i j a b c gX XX X或f h ib g j a c d eX XX X9微地址转移逻辑表达式如下 A8 P1IR6T4 A7 P1IR5T4 A6 P2CT4其中A8A6为微地址寄存器相应位，P1和P2为判别标志，C为进位标志，IR5和IR6为指令寄存器的相应位，T4为时钟周期信号。说明上述逻辑表达式的含义，画出微地址转移逻辑图。解A5P3IR5T4A4P3IR4T4A3P1IR3T4A2P1IR2T4A1P1IR1T4A0P1IR0T4P2CT4用触发器强置端低有效修改，前5个表达式用“与非”门实现，最后1个用“与或非”门实现A2、A1、A0触发器的微地址转移逻辑图如下 (其他略)10某计算机有如下部件，ALU，移位器，主存M，主存数据寄存器MDR，主存地址寄存器MAR，指令寄存器IR，通用寄存器R0R3，暂存器C和D。 1请将各逻辑部件组成一个数据通路，并标明数据流动方向。2画出“ADD R1，R2”指令的指令周期流程图。解1 设该系统为单总线结构，暂存器C和D用于ALU的输入端数据暂存，移位器作为ALU输出端的缓冲器，可对ALU的运算结果进行附加操作，则数据通路可设计如下2 根据上面的数据通路，可画出“ADD R1，R2”设R1为目的寄存器的指令周期流程图如下11已知某机采用微程序控制方式，控存容量为512*48位。微程序可在整个控存中实现转移，控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式。请问； 1微指令的三个字段分别应为多少位 2画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解1 因为容量为512*48位，所以下址字段需用9位，控制微程序转移的条件有4个，所以判别测试字段需4位或(3位译码)，因此操作控制字段的位数48-9-435位或48-9-336位2微程序控制器逻辑框图参见教材P.147图5.23控制存储器地址译码微地址寄存器OPP字段 控制字段地址转移逻辑状态条件指令寄存器IR微命令信号 微命令寄存器12今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步 操作的时间依次为100ns，100ns，80ns，50ns。请问； 1流水线的操作周期应设计为多少 2若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么第2条指令要推迟多少时间进行 3如果在硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间答1 流水操作周期为max100,100,80,50100ns2若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么在第1条指令“送结果”步骤完成后，第2条指令的“取数”步骤才能开始，也就是说，第2条指令要推迟两个操作周期，即200ns才能进行。3 如果在硬件设计上加以改进，采用定向传送的技术，则只要第1条指令完成“运算”的步骤，第2条指令就可以“取数”了，因此至少需推迟100ns。13指令流水线有取指IF、译码ID、执行EX、访存MEM、写回寄存器堆WB五个过程段，共有20条指令连续输入此流水线。 1画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns。 2求流水线的实际吞吐率单位时间里执行完毕的指令数。 3求流水线的加速比。解1 流水处理的空图如下，其中每个流水操作周期为100ns空间SI1I2I15I16I17I18I19I20WBI1I2I15I16I17I18I19I20MEMI1I2I3I16I17I18I19I20EXI1I2I3I4I17I18I19I20IDI1I2I3I4I5I18I19I20IFI1I2I3I4I5I6I19I20123456192021222324时间T2 流水线的实际吞吐量执行20条指令共用511924个流水周期，共2400ns，所以实际吞吐率为3 流水线的加速比为 设流水线操作周期为， 则n指令串行经过k个过程段的时间为n*k* ； 而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为kn-1*； 故20条指令经过5个过程段的加速比为 14用时空图法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。解设流水计算机的指令流水线分为4个过程段IF、ID、EX、WB，则流水计算机的时空图如下空间SI1I2I3I4I5WBI1I2I3I4I5EXI1I2I3I4I5I6IDI1I2I3I4I5I6I7IFI1I2I3I4I5I6I7I812345678时间T非流水计算机的时空图空间SI1I2WBI1I2EXI1I2IDI1I2IFI1I212345678时间T由图中可以看出，同样的8个操作周期内，流水计算机执行完了5条指令，而非流水计算机只执行完了2条指令；由此，可看出流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。15用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。证明设流水计算机具有k级流水线，每个操作周期的时间为t，执行n条指令的时间为；吞吐率为而非流水计算机，执行n条指令的时间为；吞吐率为当n1时，；当n1时即流水计算机具有更高的吞吐率。16判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关 1 I1 LAD R1，A ； MAR1，MA是存储器单元 I2 ADD R2，Rl ； R2R1R2 2 I1 ADD R3，R4 ； R3R4R3 I2 MUL R4，R5 ； R4R5R4 3 I1 LAD R6，B ； MBR6，MB是存储器单元I2 MUL R6，R7 ； R6 R7R6解1 I1的运算结果应该先写入R1，然后再在I2中读取R1的内容作为操作数，所以是发生RAW “写后读”相关2 WAR3 RAW和WAW两种相关17参考图5.39所示的超标量流水线结构模型，现有如下6条指令序列 I1 LAD R1，B ； MBR1，MB是存储器单元 I2 SUB R2，Rl ； R2-R1R2 I3 MUL R3，R4 ； R3*R4R3 I4 ADD R4，R5 ； R4R5R4 I5 LAD R6，A ； MAR6，MA是存储器单元 I6 ADD R6，R7 ； R6R7R6 请画出1按序发射按序完成各段推进情况图。 2按序发射按序完成的流水线时空图。解1 按序发射按序完成各段推进情况图如下仍设F、D段要求成对输入；F、D、W段只需1个周期；加需要2个周期；乘需要3个周期；存/取数需要1个周期；执行部件内部有定向传送，结果生成即可使用 13取指段I1I2I3I4I5I6译码段I1I2I2I3I4I5I6I6执行段I1I2I2 I4I3I5I4I3I6I3I6取/存加法器乘法器写回段I1I2I3I4I5I62 按序发射按序完成的流水时空图如下1234567891011时钟I1FDEWI2FDEEWI3FDEEEWI4FDEEWI5FDEWI6FDEEW超标量流水线的时空图