微机原理第三章习题答案

“微处理器系统原理与嵌入式系统设计”第三章习题解答
3.1什么是冯·诺伊曼计算机结构？其运行的基本原理如何？
冯.诺依曼计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备构成，采用二进制表示信息，以存储器为中心，按存储程序原理工作。

存储程序原理指编好的程序首先放入存储器，开始工作后，由控制器自动、高速依次从存储器中取出指令并执行。

3.2. 微处理器的体系结构可以分为几种？试分别说明各种体系结构的优缺点。

3.3 高级编程语言、汇编语言以及机器语言之间有哪些不同？
机器语言是直接用二进制代码表达的计算机语言。

指令用“0”和“1”组成，并分成若干段，各段的编码表示不同的含义。

机器语言面向硬件，是唯一可以由硬件直接执行的语言。

汇编语言采用符号代替机器语言中的二进制码：用助记符(Mnemonic)代替操作码，用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替地址码。

汇编语言与机器语言一一对应，因此不具有移植性，但更易于读写和理解。

汇编语言源程序需要汇编成机器语言才能交给硬件执行。

高级编程语言语法和结构更类似普通英文，且由于远离对硬件的直接操作，因此移植性较好。

高级语言源程序需要编译（或解释）成机器语言才能交给硬件执行。

3.5 什么是计算功能指令、数据传输指令以及控制流程指令？
计算功能指令：对数据进行处理完成算术运算或逻辑运算等的指令。

数据传输指令：负责把数据、地址或立即数传送到寄存器、I/O端口或存储单元中，或者反方向传送的指令。

控制流程指令：用来控制程序执行流程的指令，有测试、转移、跳转等子类。

3.6 解释跳转、分支、调用以及中断所需进行的操作。

跳转：根据“跳转”指令指计算目的地址，修改程序指针。

分支：根据“分支”指令判断执行条件，计算跳转地址，修改程序指针。

调用：保存断点，根据“调用”指令计算子程序入口地址，修改程序指针，执行完毕后恢复断点。

中断：保护断点及现场，查找中断向量表以确定中断程序入口地址，修改程序指针，执行完毕后恢复现场及断点。

3.7固定长度指令编码有什么优缺点？
可以简化硬件设计、减小指令译码的时间，但指令编码的效率不高，信息冗余度大，可扩展性差。

3.8 在处理器工作频率、CPI 和处理器性能方面，哪些因素会增加流水线深度？
时钟周期越小，则要求组合电路的延迟越小，流水线级数越多，但过多的流水线无助于处理器工作频率的提高。

CPI 越大，为了提高运算效率则流水级数需求越多。

处理器性能和流水线级数是一个动态平衡的关系，需要具体在设计流水线的同时考虑冲突。

3.9一个时钟频率为2.5 GHz 的非流水式处理器，其平均CPI 是4。

此处理器的升级版本引入了5级流水。

然而，由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟，使新版处理器的时钟频率必须降低到2 GHz 。

(1) 对一典型程序，新版所实现的加速比是多少？
(2) 新、旧两版处理器的MIPS 各是多少？
（1）对于一个有N 条指令的程序来说：
非流水式处理器的总执行时间s N N T 990106.1)105.2/()4(-⨯=⨯⨯=
5级流水处理器的总执行时间s N N T 99110)4(2)102/()15(-⨯+=⨯-+=
加速比=4
2.310+=N N T T ，N 很大时加速比≈
3.2 （2）非流水式处理器CPI=4，则其执行速度=2500MHz/4=625MIPS 。

5级流水处理器CPI=1，则其执行速度=2000 MHz /1=2000 MIPS 。

3.10随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么？详细说明各部件的作用。

随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关，通过针对特定指令集进行
硬件的优化设计来得到逻辑门最小化的处理器，以此减小电路规模并降低制造费用。

主要部件包括：产生程序地址的程序计数器，存储指令的指令寄存器，解释指令的控制逻辑，存放数据的通用寄存器堆，以及执行指令的ALU等几个主要部分构成。

3.11分别详细说明采用可变时钟周期与多时钟周期改进随机逻辑体系结构的原理。

CPU内部时序信号的定时方式可以分成同步控制、异步控制、联合控制三种方式。

其中同步控制指在任何情况下，所有指令在执行时所需的机器周期数和时钟周期数都固定不变。

同步控制的一种实现方式就是可变时钟周期，指CPU根据当前指令的操作特性调整时钟周期，将大多数指令操作安排在一个较短的机器周期内完成，对某些复杂操作，则采取延长机器周期的办法来解决。

而异步控制的一种实现方式就是多时钟周期，指时钟周期不变，但CPU每条指令的执行周期可由多少不等的机器周期数组成。

3.12 什么是微代码体系结构？微指令的作用是什么？
在微码结构中，控制单元的输入和输出之间被视为一个内存系统。

控制信号存放在一个微程序内存中，指令执行过程中的每一个时钟周期，处理器从微程序内存中读取一个控制字作为指令执行的控制信号并输出。

微指令只实现必要的基本操作，可以直接被硬件执行。

通过编写由微指令构成的微代码，可以实现复杂的指令功能。

微指令使处理器硬件设计与指令集设计相分离，有助于指令集的修改与升级，并有助于实现复杂的指令。

3.13微码体系结构与随机逻辑体系结构有什么区别？
（1）指令集的改变导致不同的硬件设计开销。

在设计随机逻辑结构时，指令集和硬件必须同步设计和优化，因此设计随机逻辑的结构比设计微码结构复杂得多，而且硬件和指令集二者中任意一个变化，就会导致另外一个变化。

在微码结构中，指令设计通过为微码ROM编写微码程序来实现的，指令集的设计并不直接影响现有的硬件设计。

因此，一旦修改了指令集，并不需要重新设计新的硬件。

（2）从性能上比较
随机逻辑在指令集和硬件设计上都进行了优化，因此在二者采用相同指令集时随机逻辑结构要更快一些。

但微码结构可以实现更复杂指令集，因此可以用较少的指令完成复杂的功能，尤其在存储器速度受限时，微码结构性能更优。

3.14说明流水线体系结构中的4个阶段的操作。

能否把流水线结构分为5阶段？如果可能，试给出你的方案。

流水线若分为四个阶段应包括：取指，译码，执行，数据回写
流水线若分为五个阶段应包括：取指，译码，执行，存储器操作，数据回写
3.15 什么是超标量体系结构？
超标量是通过内置多条流水线或多个流水部件以实现多条指令的同时执行，其实质是以空间换取时间。

而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一步甚至多步操作，其实质是以时间换取空间。

3.16 指令的乱序执行可以带来什么好处？
通过将指令执行顺序重新排序，让满足执行条件的指令尽早地执行，从而提高处理器性能。

指令的乱序执行可以减少流水线冲突，减轻流水操作时由于数据等待、控制等待、资源冲突等中断时，其他无关指令也必须等待的问题，从而提高了流水线的效率。

3.17 讨论：假设处理器速度和主存储器时延之间的差距不断增大，计算机性能是否可能决定于存储器访问时间？在这种情况下，哪些微处理器架构特性会提高处理器性能？哪些不会？如果计算机具有一个比现在快100倍的处理器，但是存储器速度仅仅是现在存储器的两倍，这样的计算机和当前计算机在设计方法上有什么区别？
可能。

如果出现这种情况，采用微码结构、流水线结构以及超标量结构（一次取多条指令）都可以提高处理器性能，尤其是微码结构。

而随机逻辑结构则不合适。

如果出现一个比现在速度快100倍的处理器，而存储器速度仅快两倍，则设计计算机体系结构时首先应该考虑如何尽量减少访问存储器的次数。