计算机组成原理课后习题解答

t4: 1→End

Z＝0(即运算结果不为零)时

t4: PC→Y

t5: IR(DISP)→ALU，(F＝A＋B)→ALU，ALU→PC，1→End

10.联合控制方式实现同步控制与异步控制间转换的思路是什么？需要哪些微操作控制或状态信号？实现相互转换的原理是什么？

答：实现思路是延长节拍周期，即节拍周期长度为异步方式长度对应的节拍周期数。 通常需要1个微操作控制信号表示是否已转入异步控制方式，需要1个状态信号表示异步控制方式是否已结束。以访存操作为例，分别为WMFC和MFC。

实现原理是异步控制方式时封锁节拍周期信号发生器的CP，即CP＝CLK&CTL、CTL＝

WMFC＋WMFC&MFC。即同步方式时(WMFC＝0)，信号发生器CP＝CLK；转入异步方式时(存储器使MFC＝0、控制器使WMFC＝1)，信号发生器CP＝0被封锁；异步方式结束时(存储器使MFC＝1、控制器使WMFC＝1)，信号发生器CP＝CLK封锁被解除，恢复到同步方式(下个节拍周期使WMFC＝0)。

11. 某CPU主频为200MHz，每个机器周期平均包含4个节拍周期，每个指令周期平均包含3个机器周期(其中有2个机器周期需要访存)。

（1）若每次访存时，机器周期中不需要插入等待周期，求该机的平均指令周期。 （2）若每次访存时，机器周期中需要插入2个等待周期，求该机的平均指令周期。

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解：由于CPU主频为200MHz，故节拍周期＝时钟周期＝1/(200×10)＝5ns。 （1）机器周期＝4*5ns＝20ns，平均指令周期＝3*20ns＝60ns。

（2）访存的机器周期＝(4＋2)*5ns＝30ns，不访存的机器周期＝20ns，

平均指令周期＝2*30ns＋1*20ns＝80ns。

12. 若CPU结构如图5.11(b)所示，分别写出4种CPU基本操作的微操作命令序列。 解：假设CPU内部与外部采用联合控制方式，微操作控制信号为WMFC； （1）寄存器间数据传送(Rx→Ry)的微操作命令序列为：Rxout、Ryin； （2）存储器读的微操作命令序列为：①Read，②WMFC； （3）存储器写的微操作命令序列为：①Write，②WMFC；

（4）算逻运算(R1+R2)的微操作命令序列为：①R1out、Yin，②R2out、ADD、Zin。 13. 写出题7的微操作步序列对应的微操作命令序列。 解：取指令的微操作命令序列为

t1：PCout、MARin，Read t2：PC＋1，WMFC t3：MDRout、IRin

（1）单字长指令[(R2)]←(R1)+(R0)的微操作命令序列为 t1～t3: 同取指令微操作命令序列

t4: R0out、Yin

t5: R1out、ADD、Zin

t6: R2out、MARin，Write t7: Zout、MDRin，WMFC t8: End

（2）单字长指令R1←(R1)+[(R0)+DISP]的微操作命令序列为 t1～t3: 同取指令微操作命令序列

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t4: R0out、Yin

t5: SEout、ADD、Zin

t6: Zout、MARin，Read

t7: R1out、Yin，WMFC t8: MDRout、ADD、Zin

t9: Zout、R1in，End

（3）双字长指令R1←(R1)+[(R0)+DISP]的微操作命令序列为 t1～t3: 同取指令微操作命令序列

t4: PCout、MARin，Read t5: PC+1，WMFC

t6: MDRout、Yin

t7: R0out、ADD、Zin

t8: Zout、MARin，Read

t9: R1out、Yin，WMFC t10: MDRout、ADD、Zin

t11: Zout、R1in，End

（4）单字长指令[(R1)+DISP]←[(R1)+DISP]+(R0)的微操作命令序列为 t1～t3: 同取指令微操作命令序列

t4: R1out、Yin

t5: SEout、ADD、Zin

t6: Zout、R2in、MARin，Read

t7: R0out、Yin，WMFC t8: MDRout、ADD、Zin

t9: R2out、MARin，Write t10: Zout、MDRin，WMFC t11: End

14. 写出题8的微操作步序列对应的微操作命令序列。 解：CALL [(RO)]指令的微操作命令序列为

t1：PCout、MARin，Read t2：PC＋1，WMFC t3：MDRout、IRin t4: SP-1

t5: SPout、MARin，Write t6: PCout、MDRin，WMFC t7: R0out、PCin，End

RET指令的微操作命令序列为

t1～t3: 同取指令微操作命令序列 t4: SPout、MARin，Read

t5: SP+1，WMFC

t6: MDRout、PCin，End

15. 某单总线通路的、基于累加器的CPU如图5.62所示，控制器采用硬布线控制方式，CPU工作流程暂不考虑中断与DMA处理，若信号时序采用联合控制方式，同步控制方式的时序中暂不考虑节拍脉冲。该CPU的指令系统由5条单字长指令组成。请设计组合逻辑控制器

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的微操作控制信号形成电路。

PC PC+1 Y ALU ADD CLA AC 总线 逻辑 MDR SE IR R W ID 时序系统 End 中WMFC 微操作 断 机信号形成 构MAR … 指令功能指令格式

000 A CLA:AC←0

ADD:AC←(AC)+[A] 001 A LDA:AC←[A] STA:[A]←(AC) JNZ:转移时PC←A

010 A 011 A 100 A 图5.62 CPU结构及指令系统例

解：该控制器的微操作控制信号形成电路设计的过程如下：

第一步，列出所有的微操作命令序列。

由于不考虑中断及DMA处理，5条指令格式共有6个微操作命令序列，其中取指周期的微操作命令序列是通用的。

取指令阶段的微操作命令序列如下： t1：PCout、MARin，Read t2：PC＋1，WMFC t3：MDRout、IRin

CLA指令执行阶段的微操作命令序列如下： t4：CLA，End

ADD指令执行阶段的微操作命令序列如下： t4：SEout、MARin，Read t5：Yin，WMFC

t6：MDRout、ADD、ACALUin，End

LDA指令执行阶段的微操作命令序列如下： t4：SEout、MARin，Read t5：WMFC

t6：MDRout、ACin，End

STA指令执行阶段的微操作命令序列如下： t4：SEout、MARin，Write t5：ACout、MDRin，WMFC t6：End

JNZ指令执行阶段的微操作命令序列如下： Z＝0时 Z≠0时 t4：SEout、PCin，Endt4：End 第二步，确定时序系统相关参数。 由上述微操作命令序列可以看出，序列的每一行为一个节拍周期，执行阶段的节拍周期数有3个和1个两种。因题目无要求，时序系统的参数确定为：指令周期由取指(IF)、执行(EX) 2个机器周期组成，每个机器周期由3个节拍周期组成。

第三步，形成所有微操作命令的使用时间表及有效逻辑表达式。

首先微调微操作命令序列，将CLA、JNZ指令中的End放在t6步，其余不变。 同时用机器周期IF/DF/EX和节拍周期T0/T1/T2代替序列中的t1、t2、?。

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满足指令系统需求的所有微操作命令的信号-时序二维表如下，其中IF的T0/T1/T2等价于t1、t2、t3，EX的T0/T1/T2等价于t4、t5、t6，“|”表示“逻辑或”。 T0 PCout PCin PC＋1 IRin SEout CLA ACout ACin ACALUin Yin ADD MARin MDRout MDRin Read Write WMFC End ALL ALL ALL IF T1 ALL ALL T2 JNZ(Z) ADD|LDA|STA| JNZ(Z) CLA ADD|LDA|STA ADD|LDA STA T0 STA ADD STA EX T1 LDA ADD ADD ADD|LDA ALL T2 ALL ALL ADD|LDA|STA 根据上表，所有微操作命令的有效逻辑表达式如下：

PCout＝IF&T0 PCin ＝JNZ&Z&EX&T0 …

SEout＝(ADD＋LDA＋STA＋JNZ&Z)&EX&T0 …

MARin＝IF&T0＋(ADD＋LDA＋STA)&EX&T0 …

End ＝EX&T2

第四步，画出微操作控制信号形成电路及与相关部件的连接图。

可以简单地用18个组合逻辑电路实现上表中18个微操作命令的有效逻辑达式。至此，微操作控制信号形成电路的所有微操作控制信号已经形成。

微操作控制信号形成电路与相关部件的连接如下图所示： IR OP A

状态REG ID

IF EX 制操时MFC 形成微操作命令 信作 T0 序的组合逻辑电路 号控系 T1 统 T2 End WMFC

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