第五部分 中央处理器-例题

【例1】2009年试题44
存储器
MemR MemW Data Addr CB DB AB MDRoutE
MAR
MARin
MDRin
MDR
MDRinE MDRout 内总线
R0out R0in R1out R1in
Ain
A PC ALU AC
PCout PCin
R0
Add
PC+1
R1
ACin ACout
IR
至指令译码部件
IRin
【例1】2009年试题44

下表给出了上述指令的取指和译码阶段每个节 拍（时钟周期）的功能和有效控制信号，请按 表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节 拍的功能和有效控制信号。
时钟 功能 有效控制信号 C1 MAR←（PC） PCout ,MARin C2 MDR←M（MAR） MemR, MDRin PC+1 PC ← （PC）+1
【例7】双总线控制器2
某计算机的CPU内部为双总线结构，如图所示， 图中Y为暂存器，PC为程序计数器，MAR和 MDR分别为存储器地址和数据寄存器，IR为 指令寄存器。所有数据传送都通过ALU，ALU 还具有下列功能。 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1个字是操作 码，第2个字为子程序的入口地址。返回地址 保存在存储器堆栈（上推堆栈）中，堆栈指针 始终指向栈顶空单元。

【例7】双总线控制器2
A
Y
SP
ALU
M D R
M A R
IR
PC
B
堆栈概念
堆栈：由若干个连续主存单 存储器 元组成的先进后出（first in last out，即FILO）存储区。 栈底：第1个放入堆栈的数 据所存放的单元，栈底是固 栈顶 堆 定不变的。 SP 栈 栈顶：最近放入的数据所存 段 放的单元； – 栈顶是随着数据的入栈和 栈底 出栈在时刻变化； – 栈顶的地址由堆栈指针SP 指明。
【例5】单总线控制器3
设CPU中各部件及其相互连接关系如图2-5-6所 示。图中W是写控制标志，R是读控制标志， R1和R2是暂存器。 （1）假设要求在取指周期由ALU完成（PC） +1→PC的操作（即ALU可以对它的一个源操 作数完成加1的运算）。要求以最少的节拍写 出取指周期全部微操作控制信号及节拍安排。 （2）写出指令ADD # a（#为立即寻址特征， 隐含的操作数在ACC中）在执行阶段所需的微 操作控制信号及节拍安排。

【例3】单总线控制器1
设CPU内部结构如图下所示，此外还设有B、 C、D、E、H、L6个寄存器（图中未画出）， 它们各自的输入和输出端都与内部总线相通， 并分别受控制信号控制（如Bin为寄存器B的输 入控制；Bout为寄存器B的输出控制），假设 ALU的结果直接送入Z寄存器中。要求从取指 令开始，写出完成下列指令所需的控制信号。 ADD B，[C] （B）+（（C））→B MOV AC，#data data →AC，data 在指令第二字

【例5】单总线控制器3
W R 存储器 MAR IR PC 微操作命令形成部件 CPU
内部总线bus
MDRΒιβλιοθήκη ACCR1ALUR2
【例5】单总线控制器3

（1）取指周期：
① PC→MAR , 1→R，M(MAR)→MDR，PC+1 →R2 ② MDR →IR ③ R2 →PC

（2）执行指令ADD # a（假设a在指令 中的地址码字段）
【例6】双总线控制器1


① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦
(3)ADD addr，R1 双字指令：addr在指令第二字 PC→MAR，M（MAR）→MDR，MDR →IR，PC+1 PC→MAR，M（MAR）→MDR， PC+1 MDR →MAR M（MAR）→MDR MDR→RA R1 → bus，（R1）+（RA） →MDR MDR → M（MAR）
C7 C8 C9 C10
A ← （MDR） AC←（R0）+A MDR←（AC） M（MAR）←（MDR）
MDRout , Ain R0out , Add, ACin ACout , MDRin MDRoutE, MemW
时钟 功能 有效控制信号 【例 1 】 2009 年试题 44答案 2 C1 MAR←（PC） PCout ,MARin C2 MDR←M（MAR） MemR, MDRinE PC+1 PC ← （PC）+1 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 IR ← （MDR） 指令译码 A←（R0） MAR←（R1） MDR←M（MAR） AC←（MDR）+A MDR←（AC） M（MAR）←（MDR） MDRout , IRin 无 R0out , Ain R1out , MARin MemR, MDRinE MDRout , Add, ACin ACout , MDRin MDRoutE, MemW

RA IR PC R 1 R2 R3 R4 ALU
MAR G M MDR
【例6】双总线控制器1


① ② ③ ④ ⑤
(3)ADD addr，R1 单字指令：addr在地址码字段 PC→MAR，M（MAR）→MDR，MDR →IR，PC+1 IR（addr）→MAR，M（MAR）→MDR MDR→RA R1 → bus，（R1）+（RA） →MDR MDR → M（MAR）
【例2】控制器（大纲）
下图是一个简化的CPU与主存连接结构示意图 (图中省略了所有多路选择器)。其中有一个累 加寄存器AC、一个状态寄存器和其他四个寄 存器：主存地址寄存器MAR、 主存数据寄 存器MDR、程序计数器PC和指令寄存器IR， 各部件及其之间的连线表示数据通路，箭头表 示信息传送方向。要求： (1)请写出图中a、b、c、d四个寄存器的名称。 (2)简述图中指令从主存取到控制器的过程。 (3)说明数据从主存取出、运算、写回主存所经 过的数据通路(假定数据地址已在MAR中)。
M4
【例3】单总线控制器1
扩展： （均为双字指令） ADD E，#data ADD [addr],F JMP disp ;PC+disp →PC MOV AC,[H+X]; X是变址寻址的形式地 址，在指令第二字

【例4】单总线控制器2
某单总线计算机的主要部件如图所示，其中： LA—A输入选择器，LB—B输入选择器，C、 D—暂存器。 （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接寻址。

移位器
IR PC C
R0
MDR M
ALU
R2 MAR R3
LA
LB D
连 线
移位器
IR PC C
R0 R1 R2
MDR M MAR
ALU
LA
LB D R3
ADD（R1），（R2）+

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑨ ⑩
功能： ((R1))+((R2)) →(R2), (R2)+1→R2 PC → MAR ,M(MAR)→MDR，PC+1 MDR →IR R1 →MAR, M(MAR)→MDR MDR→LA R2 →MAR, M(MAR)→MDR MDR→LB LA+LB →MDR MDR → M(MAR) R2 →LA LA+1 → R2

控制信号
时钟
… CU
IR
+1
IRin PCin PCOut MARin MDRin MDROut ACin ACOut Yin
PC
A M D
MAR
MDR AC Y
CPU 内 部 总 线
控制信号
ALU
Z
ALUin
ZOut
…
ADD
时钟
B，[C]
M1
M2 M3
操作 控制信号 PC → MAR ， PCout ,MARin ,read， M（MAR） → MDR， +1 PC+1 MDR →IR C →MAR， M（MAR） → MDR MDR→ Y B +Y →Z Z→B MDRout，IRin Cout , MARin ,read

堆栈的结构
一般计算机中，堆栈从高地址向低地
址扩展，即栈底的地址总是大于或等 于栈顶的地址，称为上推堆栈；也有 少数计算机相反，称为下推堆栈。 堆栈指针的管理：
– SP总是指向最后压入的有效数据 – SP总是指向栈顶的空单元
对堆栈的访问与操作

只对栈顶操作； 两种操作：
–压入：PUSH指令；
【例6】双总线控制器1
ALU IR PC R 1 R2 R3 R4 RA MAR M MDR
RA IR PC R 1 R2 R3 R4 ALU
MAR M MDR
【例6】双总线控制器1
(2)直接寻址：指令为单字，则不需要更改（存 在IR到MAR的通路）； 若为双字指令，在取出指令第二字后，要送入 MAR，所以必须存在MDR到MAR之间的数据 通路。方法：通过设置一个连通器连接双总线。

【例2】控制器（大纲）
主存储器 CPU a MDR AC c MAR
b IR
PC d
操作控 制器
状态寄存器
(2)取指令 PC→MAR,M(MA R) →MDR, MDR →IR, PC+1 (3)取数、运算、 写回 +1 M(MAR)→MDR, MDR →ALU, 运 算结果→AC, AC→MDR, MDR →M (MAR)
① IR（addr）→R1 ② ACC→内部bus，R1+ACC→R2 ③ R2 →ACC
【例6】双总线控制器1





一CPU数据通路为双总线结构，如下图所示。 图中连线有误。 回答下列问题： （1）画出修正错误后的连线图，不能改变原 有的双总线结构。 （2）如要实现直接寻址方式，如何修改？ （假设指令为双字，第二字是直接地址；或者 假设指令为单字） （3）描述ADD addr，R1指令从取指令开始的 实现过程。指令的功能为 （R1）+（addr）→addr
存储器
00000000H:

弹出指令POP Ri：从堆栈 栈顶 中弹出1个数据送Ri寄存器: SP
–((SP)) → Ri ,(SP)＋1→SP
思考： –指令的两个操作，顺序互换？ –堆栈结构改变后，如何实现？
计算机组成原理 考研辅导
第五部分 中央处理器CPU 例题
【例1】2009年试题44

某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构， 部分数据通路结构如下图所示，图中所有控制 信号为1时表示有效，为0时表示无效，例如控 制信号MDRinE为1表示允许数据从DB打入 MDR，MDRin为1时表示允许数据从内部总线 打入MDR。假设MAR的输出一直处于使能状 态。加法指令“ADD（R1），R0”的功能为 （R0）+ （（R1））→（R1），即将R0中的数 据与R1的内容所指主存单元的数据相加，并将 结果送入R1的内容所指主存单元中保存。
存储器
00000000H:
数据存入堆栈 –弹出：POP指令； 从堆栈取出数据

栈顶
SP
假设一堆栈：
–结构？ –数据字长为1B；
×× ×× ×× 栈底 ××
堆 栈 段
0FFFFFFFFH:
堆栈指令的实现

压入指令 PUSH Ri：将Ri 寄存器内容压入堆栈:
–(SP)－1→SP，(Ri) →(SP)
C3 C4
IR ← （MDR） 指令译码
MDRout , IRin 无
时钟 功能 有效控制信号 1← 】 44答案 1 C1【例 PC ,MAR MAR （2009 PC） 年试题 out in C2 MDR←M（MAR） MemR, MDRinE PC+1 PC ← （PC）+1 C3 C4 C5 C6 IR ← （MDR） 指令译码 MAR←（R1） MDR←M（MAR） MDRout , IRin 无 R1out , MARin MemR, MDRinE
M4 M5 M6
MDRout，Yin Bout , ALU（+） Zout , Bin
MOV AC，#data
时钟 M1 M2 M3 操作 PC → MAR , M（MAR） → MDR， PC+1 MDR →IR PC → MAR , M（MAR） → MDR， PC+1 MDR→ AC 控制信号 PCout ,MARin ,read， +1 MDRout，IRin PCout ,MARin ,read， +1 无