第5章习题参考答案汇编.docx

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第5章习题参考答案汇编

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“STORl，（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：

STOR1,（R2）的指令流程图及为操作信号序列如下：

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：

LADR3,（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；Tl＝200ns，T2=400ns，T3=200ns，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⨯（4-1）+1=241条微指令，每条微指令32位，所以控存容量为：

241⨯32位

7．某ALU器件是用模式控制码MS3S2S1C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，φ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

A,B

H,D

解：

由表可列如下逻辑方程

M=G

S3=H+D+F

S2=A+B+D+H+E+F+G

S1=A+B+F+G

C=H+D+Ey+Fy

8．某机有8条微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。

a—j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

√

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2:

4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。

efh

bij

↑↑↑

acdg

或：

efh

dij

↑↑↑

abcg

或：

fhi

bgj

2、消费者分析↑↑↑

漂亮女生号称全国连锁店，相信他们有统一的进货渠道。

店内到处贴着10元以下任选，价格便宜到令人心动。

但是转念一想，发夹2.8元，发圈4.8元，皮夹子9.8元，好像和平日讨价还价杀来的心理价位也差不多，只不过把一只20元的发夹还到5元实在辛苦，现在明码标价倒也省心省力。

↑↑↑

acde

“碧芝”最吸引人的是那些小巧的珠子、亮片等，都是平日里不常见的。

据店长梁小姐介绍，店内的饰珠有威尼斯印第安的玻璃珠、秘鲁的陶珠、奥地利的施华洛世奇水晶、法国的仿金片、日本的梦幻珠等，五彩缤纷，流光异彩。

按照饰珠的质地可分为玻璃、骨质、角质、陶制、水晶、仿金、木制等种类，其造型更是千姿百态：

珠型、圆柱型、动物造型、多边形、图腾形象等，美不胜收。

全部都是进口的，从几毛钱一个到几十元一个的珠子，做一个成品饰物大约需要几十元，当然，还要决定于你的心意尽管售价不菲，却仍没挡住喜欢它的人。

§8-2购物环境与消费行为2004年3月20日

9．微地址转移逻辑表达式如下：

μA8=P1·IR6·T4

此次调查以女生为主，男生只占很少比例，调查发现58％的学生月生活费基本在400元左右，其具体分布如（图1-1）μA7=P1·IR5·T4

自制性手工艺品。

自制饰品其实很简单，工艺一点也不复杂。

近两年来，由于手机的普及，自制的手机挂坠特别受欢迎。

μA6=P2·C·T4

年轻有活力是我们最大的本钱。

我们这个自己动手做的小店，就应该与时尚打交道，要有独特的新颖性，这正是我们年轻女孩的优势。

其中μA8—μA6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。

我们熟练的掌握计算机应用，我们可以在网上搜索一些流行因素，还可以把自己小店里的商品拿到网上去卖，为我们小店提供了多种经营方式。

解：

10、如果学校开设一家DIY手工艺制品店，你希望＿＿＿＿＿μA8=P1·IR6·T4表示微地址的第8位在P1有效时，用IR6设置

μA7=P1·IR5·T4表示微地址的第7位在P1有效时，用IR5设置

据介绍，经常光顾“碧芝”的都是些希望得到世界上“独一无二”饰品的年轻人，他们在琳琅满目的货架上挑选，然后亲手串连，他们就是偏爱这种ＤＩＹ的方式，完全自助。

μA6=P2·C·T4表示微地址的第6位在P2有效时，用进位标志C设置，

地址转移逻辑图如下：

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R0~R3，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“ADDR1，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“ADDR1，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48-9-4=35位（或48-9-3=36位）

（2）微程序控制器逻辑框图参见教材P.147图5.23

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max（100,100,80,50）=100ns

（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S

I15

I16

I17

I18

I19

I20

⋯

I15

I16

I17

I18

I19

I20

MEM

⋯

I16

I17

I18

I19

I20

⋯

I17

I18

I19

I20

⋯

I18

I19

I20

⋯

I19

I20

⋯

时间T

（2）流水线的实际吞吐量：

执行20条指令共用5+1⨯19=24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τ，

则n指令串行经过k个过程段的时间为n*k*τ；

而n条指令经过可并行的k段流水线时所需的时间为（k+n-1）*τ；

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S

时间T

非流水计算机的时空图：

空间S

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τ，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n=1时，

；

当n>1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）I1LADR1，A；M（A）→R1，M（A）是存储器单元

I2ADDR2，Rl；（R2）+（R1）→R2

（2）I1ADDR3，R4；（R3）+（R4）→R3

I2MULR4，R5；（R4）⨯（R5）→R4

（3）I1LADR6，B；M（B）→R6，M（B）是存储器单元

I2MULR6，R7；（R6）⨯（R7）→R6

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）WAR

（3）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：

I1LADR1，B；M（B）→R1，M（B）是存储器单元

I2SUBR2，Rl；（R2）-（R1）→R2

I3MULR3，R4；（R3）*（R4）→R3

I4ADDR4，R5；（R4）+（R5）→R4

I5LADR6，A；M（A）→R6，M（A）是存储器单元

I6ADDR6，R7；（R6）+（R7）→R6

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）：

取指段

译码段

执行段

I2I4

取/存

加法器

乘法器

写回段

（2）按序发射按序完成的流水时空图如下：

时钟

超标量流水线的时空图

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