要高，控制更为复杂，可以更快地提高程序的执行速度。

5)计算机为什么要设置时序系统?说明指令周期、机器周期、和时钟周期的含义。 答：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。

通常将一条指令从取出到执行完成所需要的时间称为指令周期，包括取指周期和执行周期，指令周期通过右若干和机器周期组成，所包含的机器周期的数量随指令功能和寻址方式的不同而不同。

机器周期分成若干个节拍电位时间段，通常以CPU完成一次微操作所需要的时间为基础来定义节拍电位的时间；由CPU时钟定义的定长时间间隔，是CPU工作的最小时间单位，也称节拍脉冲或T周期。

6)组合逻辑控制器与微程序控制器各有什么特点?

答：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。 7)说明程序与微程序，指令与微指令的异同

答：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；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。

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。 8)微命令有哪几种编码方法?它们是如何实现的?

答：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。

9)简述微程序控制器和硬布线控制器的设计方法?

答： 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。 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。

6.3 微地址转移逻辑表达式如下： μA0 = P2·IR4·T4 μA1 = P2·IR5·T4 μA2 = P3·(C+Z)·T4

其中，μA2—μA0为微地址寄存器相应位，P2和P3为判别标志，C为进位标志，Z为零标志，IR5和IR4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。 本题略

6.4 已知某机采用微程序控制方式，控存容量为128*32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3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。

解答：（1）分别是：控制字段23位；测试字段2位；下址字段7位；

（2）

指令寄存器IR 状态条件 OP …

地址转 微命令 微地址 移逻辑 寄存器(μAR) 控制 …… 存储器 微命令

P字段 控制字段 下址字段 寄存器

6.5 某微程序包含5条微指令,每条微指令发出的操作控制信号如表6.25所示，试对这些微指令进行编码，要求微指令的控制字段最短且能保持微指令应有的并行性。

表6.25 微指令及其对应的微操作控制信号

微指令 微操作控制信号 a,c,e,g a,d,f,h,j a,d,e a,b,i a,d,f,j ?I1 ?I2 ?I3 ?I4 ?I5

答：由题可得下表：

微指令 微操作控制信号 a √ √ √ √ √ b c √ d √ √ √ e √ √ f √ √ g √ h √ i j √ √ ?I1 ?I2 ?I3 ?I4 ?I5 √ √ 由微命令的编码方法可知，采用字段直接译码法可以有效缩短微指令的长度，为此，先找出互斥性的微命令。

从表中可以发现两个互斥组(b,c,d) , (e,f,i)(或其它可能存在的互斥组)，这两个互斥组采用字段直接译码法，其余的a,g,h,j等四个微命令采用直接表示方。

b c d e f i a ghj

译码器 译码器

2位 2位 P字段 下址字段 ... . 操作控制 顺序控制

6.6某CPU的结构如图6.37所示，其中AC为累加器，条件状态寄存器保存指令执行过程中的状态。a,b,c,d为四个寄存器。图中箭头表示信息传送的方向。完成下列个题： (1)根据CPU的功能和结构标明图中四个寄存器的名称；

(2)简述指令LDA X 的数据通路，其中 X为主存地址，指令的功能是将主存X单元的内容送入AC中。

主存储器M a AC c b d +1 ALU 状态寄存器 操作控制器 图6.37 某CPU的结构框图

6.6 答：（1）a：数据缓冲寄存器；

b：指令寄存器 c：地址寄存器； d：程序计数器

（2）首先，取指阶段有条数据通路，1.取指令送到指令寄存器：PC→MAR→主存→MDR→IR；2.修改PC为下一条指令做准备：PC→PC+1

其次，执行阶段用到的数据通路是，从主存中取数据并送到寄存器AC中：IR(形式地址部分)→MAR→MEM→MDR→AC

6.7对图6.3所示的单总线CPU，如加法指令中的第二个地址码有寄存器寻址、寄存器间接寻址、存储器间接寻址三种寻址方式，并在指令中用代码表示寻址方式，对应的指令及功能如下：

a) ADD R0, R1 ; R[0]? (R[0]) + (R[1]) ,

即把寄存器R0的内容和R1的内容相加,结果送送R0保存 b)ADD R0, (R1) : R[0]? (R[0]) +(M[R[1]])

即把寄存器R0的内容和R1的内容所指主存单元的值相加,结果送R0保存 c) ADD R0, (addr) : R[0]? (R[0]) +(M[addr])

即把寄存器R0的内容和主存单元addr的值相加,结果送R0保存

分别设计上述三条指令的指令周期流程图，并列出每一步的控制信号。 6.7 答：三种寻址方式下取质周期的操作及其控制信号如表6.3的上半部分所示.下面只给出每种情况下指令执行周期的操作及其控制信号.

a)

操作 X ? (R[0]) Z ? ALU R[0] ? (Z) 周期 执行 功能说明 寄存器R0内容送暂存器X ALU执行加法操作，将结果送暂存器Z 暂存器Z的内容送寄存器R0中 控制信号 R0out=Xin=1 R1out=1=ADD=1 Zout = R0in=1 b）

操作 周期 执行 执行 功能说明 将寄存器R1中的内容作为地址送MAR 将主存对应单元的数据送MDR 寄存器R0内容送暂存器X ALU执行加法操作，将结果送暂存器Z 暂存器Z的内容送寄存器R0中 控制信号 MAR? (R[1]) MDR?(MEM) X ? (R[0]) Z ? ALU R[0] ? (Z) R1out=ARin=1 READ=DREin=1 R0out=Xin=1 DRIout=ADD=1 Zout = R0in=1 c） 操作 周期 执行 执行 功能说明 控制信号 MAR? IR(addr) MDR?(MEM) X ? (R[0]) Z ? ALU R[0] ? (Z) 将立即数addr中的内容作为地址送MAR IRout=ARin=1 将主存对应单元的数据送MDR 寄存器R0内容送暂存器X ALU执行加法操作，将结果送暂存器Z 暂存器Z的内容送寄存器R0中 READ=DREin=1 R0out=Xin=1 DRIout=ADD=1 Zout = R0in=1

6.8 用微程序设计图6.15的控制单元

本体参考答案略 只要采用直接编码字段输出图中所有由控制单元输出的控制信号即可）

6.9用微程序设计图6.14所示的单周期处理器的控制单元。

本体参考答案略 只要采用直接编码字段输出图中所有由控制单元输出的控制信号即可）

6.11 假定多周期处理器采用图6.15所示的数据通路和图6.34所示的控制单元。某程序中包含Lw、Sw、R型、J型指令比例分别为20%、10%、60%、10%。求多周期处理器比单周期处理器大约块多少倍。

6.10 答：对于采用图6。15所示的多周期方案而言，LW，SW、R及J型指令的时钟周期数分别为：5、4、4、3。根据CPI公式： CPI=0.2*5 + 0.1*4 + 0.6*4 + 0.1* 3 = 4.1

而单周期的CPI=1 ,但是时钟长度必须取消耗时间最长的指令,也是是LW型指令,预为多周期时间周期的5倍.设多周期的时钟周期时间为t,则多周期比单周期加速的倍数为： N = (5*t)/(4.1*t) = 1.22倍 则多周期处理器是单周期的1.22倍。

第七章 流水线技术 习 题 七

1、 解释下列名词

流水线技术：计算机中的流水线技术是把一个复杂的任务分解为若干个子过程，每个子过程与其它子过程并行运行。由于其运行方式和工业领域中的流水线处理技术十分类似，因此被称为流水线技术。

通过时间：通过时间是指第一条指令从输入流水线到输出流水线所经过的时间