发布时间 : 星期五 文章《计算机组成原理》课后题答案 清华大学出版 秦磊华 吴非··更新完毕开始阅读
证程序执行过程中，指令在逻辑上的相互关系不被改变。
指令的操作控制。即产生指令执行过程中所需要的信号，以控制执行部件按指令规定的操作运行。
时间控制，即对每个控制信号进行定时，以便按规定的时间顺序启动各操作。对于任何一条指令而言，如果操作控制信号的时间不正确，则指令的功能也就不能正确实现。
数据加工处理。即对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。 异常和中断处理。如处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。 组成：中央处理器主要由控制器和运算器两部分构成。控制器的主要功能包括：取指令、计算下一条指令的地址、对指令译码、产生相应的操作控制信号、控制指令执行的步骤和数据流动的方向。运算器是执行部件，由算术逻辑单元和各种寄存器组成。
2)CPU内部有哪些寄存器?它们的功能分别是什么?
答：(1) 指令寄存器(IR)：IR用于保存指令。从主存储器取出的指令存放在IR中，直到新的指令从主存中取出为止。
(2) 程序计数器(PC) ：PC保存将要执行的指令地址，故又称指令地址寄存器。CPU取指令时，将PC的内容送到主存地址寄存器，然后修改PC的值形成下一条将要执行的指令地址
(3) 地址寄存器(AR)：AR用来保存当前CPU所要访问的主存单元地址，无论CPU是取指令还是存取数据，都必须先将要访问的主存单元地址送AR，直到读/写操作完成。
(4) 通用寄存器组(GR)：通用的含义是指寄存器的功能有多种用途，GR可作为ALU的累加器、变址寄存器、地址指针、指令计数器、数据缓冲器，用于存放操作数(包括源操作数、目的操作数及中间结果)和各种地址信息等。
(5) 数据缓冲寄存器(DR) DR作为CPU和主存之间的数据缓冲寄存器用于存放操作数、运算结果或中间结果，以减少访问主存的次数；也可存放从主存中读出的数据，或准备写入主存的数据。 (6) 程序状态字寄存器(PSW) PSW用于保存由算术运算指令、逻辑运算指令、测试结果等建立的各种条件标志。常见的状态信息包括进位标志(C)、溢出标志(V)、结果为负数标志(S)及结果为零标志(Z)等。
3)什么是取指周期?取指周期内应完成哪些操作?
答：取指周期就是从开始取指令到取指令完成所需要的时间。取指周期要完成两方面的操作，一是将PC的值送存储器地址寄存器MAR，并完成储单元去取指令；二是如何形成后续指令地址： ?顺序执行指令时，将PC内容加当前指令所占用的主存单元数(以字节为单位)； ?当出现转移时，根据寻址方式、转移条件、转移的目标地址等内容计算得到。 4)指令有几种执行方式?说明各自的特点。
答：指令的执行方式有顺序执行方式、重叠执行方式和流水执行三种方式。
顺序执行方式：是一种串行执行方式，取出一条指令的操作全部结束后才能开始下一条指令的指令周期，这种方式控制简单，程序的执行速度慢。
重叠执行方式：是一种局部并行方式，通常将当前指令的执行阶段与下一条指令的取指阶段重叠进行，这种方式控制较复杂，但可以提高程序的执行速度；
流水执行方式：是一种并行执行方式，它将指令的执行分多个阶段（每个阶段的任务由特定的功能部件完成），一般而言，在该执行方式下，指令间的并行程度比重叠执行方式
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。