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5.中央处理器中有哪几个主要寄存器?
试说明它们的结构和功能。
CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的,它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果,有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器,如程序计数器PC、指令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR、状态标志寄存器PSWR等。
6.某机CPU芯片的主振频率为8MHz,其时钟周期是多少μs?
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0.8MIPS,试问:
(1)平均指令周期是多少μs?
(2)平均每个指令周期含有多少个机器周期?
(3)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又是多少MIPS?
(4)若要得到40万次/s的指令执行速度,则应采用主振频率为多少MHz的CPU芯片?
时钟周期=1÷
8MHz=0.125μs
(1)平均指令周期=1÷
0.8MIPS=1.25μs
(2)机器周期=0.125μs×
4=0.5μs平均每个指令周期的机器周期数=1.25μs÷
0.5μs÷
4=2.5
(4)主振频率=4MHz
7.以一条典型的单地址指令为例,简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周期中的作用。
1)
程序计数器PC;
2)
指令寄存器IR;
3)
算术逻辑运算部件
ALU;
4)
存储器数据寄存器
MDR;
5)
存储器地址寄存器
MAR。
(1)程序计数器PC:
存放指令地址;
2)指令寄存器IR:
存放当前指令;
3)算术逻辑运算部件ALU:
进行算逻运算;
(4)存储器数据寄存器MDR:
存放写入或读出的数据/指令;
(5)存储器地址寄存器MAR:
存放写入或读出的数据/指令的地址。
以单地址指令“加1(INCA)”为例,该指令分为3个周期:
取指周期、分析取数周期、执行周期。
3个周期完成的操作如表6-2所示。
8.什么是指令周期?
什么是CPU周期?
它们之间有什么关系?
指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。
CPU周期(机器周期)是完成一个基本操作的时间。
一个指令周期划分为若干个CPU周期。
9.指令和数据都存放在主存,如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据?
指令和数据都存放在主存,它们都以二进制代码形式出现,区分的方法为:
(1)取指令或数据时所处的机器周期不同:
取指周期取出的是指令;
分析取数或执行周期取出的是数据。
(2)取指令或数据时地址的来源不同:
指令地址来源于程序计数器;
数据地址来源于地址形成部件。
10.CPU中指令寄存器是否可以不要?
指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器MDR中的信息译码?
为什么?
请以无条件转移指令JMPA为例说明。
指令寄存器不可以不要。
指令译码器不能直接对MDR中的信息译码,因为在取指周期MDR的内容是指令,而在取数周期MDR的内容是操作数。
以JMPA指令为例,假设指令占两个字,第一个字为操作码,第二个字为转移地址,它们从主存中取出时都需要经过MDR,其中只有第一个字需要送至指令寄存器,并且进行指令的译码,而第二个字不需要送指令寄存器。
11.设一地址指令格式如下:
@OPA
现在有4条一地址指令:
LOAD(取数)、ISZ(加“1”为零跳)、DSZ(减“1”为零跳)、STOR(E存数),在一台单总线单累加器结构的机器上运行,试排出这4条指令的微操作序列。
要求:
当排ISZ和DSZ指令时不要破坏累加寄存器Acc原来的内容。
(1)LOAD(取数)指令
PC→MAR,READ;
取指令
MM→MDR
MDR→IR,PC+1→PC
A→MAR,READ;
取数据送Acc
MDR→Acc
(2)ISZ(加“1”为零跳)指令
取指令微操作略。
;
A→MAR,READ
Acc+1→Acc;
加1
结果为0,PC+1
Acc→
MDR,WRITE
保存结果
MDR→
MM
Acc-
→Acc
恢复Acc
DSZ(减“1”为零跳)指令
Acc-1→Acc;
减1
IfZ=1thenPC+1→PC
Acc+
STORE(存数)指令:
A→MAR
Acc中的数据写
入主存单元
Acc→MDR,WRITE
MDR→MM
12.某计算机的CPU内部结构如图6唱22所示。
两组总线之间的所有数据传送通过ALU。
ALU还具有完成以下功能的能力:
F=A;
F=B
F=A+1;
F=B+1
F=A-1;
F=B-1
写出转子指令(JSR)的取指和执行周期的微操作序列。
JSR指令占两个字,第一个字是操作码,第二个
字是子程序的入口地址。
返回地址保存在存储器堆栈中,堆栈指示器始终指向栈顶。
①PC→B,F=B,F→MAR,Read;
取
指令的第一个字
2PC→B,F=B+1,F→PC
3MDR→B,F=B,F→IR
4PC→B,F=B,F→MAR,Read;
的第二个字
5PC→B,F=B+1,F→PC
6MDR→B,F=B,F→Y
7SP→B,F=B-1,F→SP,F→MAR;
修改栈
指针,返回地址压入堆栈
8PC→B,F=B,F→MDR,Write
9Y→A,F=A,F→PC;
子程序的首地址→PC
10End
13.某机主要部件如图6-23所示。
(1)请补充各部件间的主要连接线,并注明数据流动方向。
(2)拟出指令ADD(R1),(R2)+的执行流程(含取指过程与确定后继指令地址)。
该指令的含义是进行加法操作,源操作数地址和目的操作数地址分别在寄存器R1和R2中,目的操作数寻址方式为自增型寄存器间址。
(1)将各部件间的主要连接线补充完后如图6-24所示。
(2)指令ADD(R1),(R2)+的含义为
((R1))+((R2))→(R2)
(R2)+1→R2
指令的执行流程如下:
①(PC)→MAR;
3
②Read
M(MAR)→MDR→IR
4(PC)+1→PC
5(R1)→MAR
6Read
7M(MAR)→MDR→C
8(R2)→MAR
9Read
10M(MAR)→MDR→D
取被加数
取加数
修改目的地址
求和并保存结
(C)+(D)→MDR
Write
14.CPU结构如图6唱25所示,其中有一个累加寄存器AC、
一个状态条件寄存器和其他4个寄存器,各部件之间的连线表示数据通路,箭头表示信息传送方向。
(1)标明4个寄存器的名称。
(2)简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。
(3)简述数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。
(1)这4个寄存器中,a为存储器数据寄存器MDR,b为指令寄存器IR,c为存储器地址寄存器MAR,d为程序计数器PC。
(2)取指令的数据通路:
PC→MAR→MM→MDR→IR(3)数据从主存中取出的数据通路(设数据地址为X):
X→MAR→MM→MDR→ALU→AC
数据存入主存中的数据通路(设数据地址为Y):
Y→MAR,AC→MDR→MM
5.什么是微命令和微操作?
什么是微指令?
微程序和机器指令有何关系?
微程序和程序之间有何关系?
微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。
微操作是指计算机中最基本的、不可再分解的操作。
微命令和微操作是一一对应的,微命令是微操作的控制信号,微操作是微命令的操作过程。
微令是若干个微命令的集合。
微程序是机器指令的实时解释器,每一条机器指令都对应一个微程序。
微程序和程序是两个不同的概念。
微程序是由微指令组成的,用于描述机器指令,实际上是机器指令的实时解释器,微程序是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存储器中的,一般不提供给用户;
程序是由机器指令组成的,由程序员事先编制好并存放在主存储器中。
16.什么是垂直型微指令?
什么是水平型微指令?
它们各有什么特点?
又有什么区别?
垂直型微指令是指一次只能执行一个微命令的微指令;
水平型微指令是指一次能定义并能并行执行多个微命令的微指令。
垂直型微指令的并行操作能力差,一般只能实现一个微操作,控制1~2个信息传送通路,效率低,执行一条机器指令所需的微指令数目多,执行时间长;
但是微指令与机器指令很相似,所以容易掌握和利用,编程比较简单,不必过多地了解数据通路的细节,且微指令字较短。
水平型微指令的并行操作能力强,效率高,灵活性强,执行一条机器指令所需微指令的数目少,执行时间短;
但微指令字较长,增加了控存的横向容量,同时微指令和机器指令的差别很大,设计者只有熟悉了数据通路,才有可能编制出理想的微程序,一般用户不易掌握。
7.水平型和垂直型微程序设计之间各有什么区别?
串行微程序设计和并行微程序设计有什么区别?
水平型微程序设计是面对微处理器内部逻辑控制的描述,所以把这种微程序设计方法称为硬方法;
垂直型微程序设计是面向算法的描述,所以把这种微程序设计方法称为软方法。
在串行微程序设计中,取微指令和执行微指令是顺序进行的,在一条微指令取出并执行之后,才能取下一条微指令;
在并行微程序设计中,将取微指令和执行微指令的操作重叠起来,从而缩短微周期。
18.图6唱26给出了某微程序控制计算机的部分微指令序列。
图中每一框代表一条
微指令。
分支点a由指令寄存器IR的第5、6两位决定。
分支点b由条件码C0决定。
现
采用下址字段实现该序列的顺序控制。
已知微指令地址寄存器字长8位。
(1)设计实现该微指令序列的微指令字之顺序控制字段格式。
(2)给出每条微指令的二进制编码地址。
(3)画出微程序控制器的简化框图。
(1)该微程序流程有两处有分支的地方,第一处有4路
分支,由指令操作码
IR5IR6指向4条不同的微指令,第二处有2路分支,根据运算结果C0的值决定后继微地址。
加上顺序控制,转移控制字段取2位。
图6唱26中共有15条微指令,则下址字段至少
需要4位,但因已知微指令地址寄存器字长8位(μMAR7~μ
MAR0),故下址字段取8位。
微指令的顺序控制字段格式如图6-27所示。
(2)转移控制字段2位:
00顺序控制
01由IR5IR6控制修改μMAR4,μMAR3。
10由C0控制修改μMAR5。
微程序流程的微地址安排如图6-28所示。
每条微指令的二进制编
码地址见表6-3
注:
每条微指令前的微地址用十六进制表示。
图6-28微程序流程的微地址安排
(3)微程序控制器的简化框图略。
19.已知某机采用微程序控制方式,其控制存储器容量512×
48位,微程序可在整个控制存储器中实现转移,可控制转移的条件共4个,微指令采用水平型格式,后继指令地址采用断定方式,微指令格式如图6-29所示。
(1)微指令中的3个字段分别应为多少位?
(2)画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。
(1)因为控制转移的条件共4个,则判别测试字段为2位;
因为控存容量为512个单元,所以下地址字段为9位;
微命令字段是(48-2-9)=37位。
(2)对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图6-30
20.某机有8条微指令I1~I8,每条微指令所含的微命令控制信号如表6-4所列。
图6唱30微程序控制器逻辑框图
a~j分别代表10种不同性质的微命令信号,假设一条微指令的操作控制字段为8位,请安排微指令的操作控制字段格式,并将全部微指令代码化。
因为微指令的操作控制字段只有8位,所以不能采用直接控制法。
又因为微指令中有多个微命令是兼容性的微命令,如微指令I1中的微命令a~e,故也不能采用最短编码法。
最终选用字段编码法和直接控制法相结合的方法。
将互斥的微命令安排在同一段内,兼容的微命令安排在不同的段内。
b、i、j这3个微命令是互斥的微命令,把它们安排在一个段内,e、f、h这3个微命令也是互斥的,把它们也安排在另一个段内。
此微指令的操作控制字段格式如图6-31所示。
其中:
字段1的译码器输出对应的微命令为
00无
01b
10i
11j
字段2的译码器输出对应的微命令为
01e
10f
11h
将全部8条微指令代码化可以得到
I1:
11100101
I2:
10110010
I3:
00000111
I4:
01000000
I5:
01011001
I6:
10001111
I7:
01100011
I8:
10000111
21.在微程序控制器中,微程序计数器μPC可以用具有加“1”功能的微地址寄存器μMAR来代替,试问程序计数器PC是否可以用具有加“1”功能的存储器地址寄存器
MAR代替?
在微程序控制器中不可以用MAR来代替PC。
因为控存中只有微指令,为了降低成本,可以用具有计数功能的微地址寄存器(μMAR)来代替μPC。
而主存中既有指令又有数据,它们都以二进制代码形式出现,取指令和数据时地址的来源是不同的。
取指令:
(PC)→MAR
取数据:
地址形成部件→MAR所以不能用MAR代替PC。
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- 计算机 组成 原理 第六 讲解