计算机组成原理5
计算机组成原理教案(第五章)
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ； I2: SUB R4，R1，R5 ；
3.联合控制方式
此为同步控制和异步控制相结合的方式。 情况（1） 大部分操作序列安排在固定的机器周 期中，对某些 时间难以确定的操作则以执行部件的“回答”信号作为本次操 作的结束； 情况（2） 机器周期的节拍脉冲数固定，但是各条指令周期的 机器周期数不固定。
5.4 微程序控制器
5.4.1 微命令和微操作
控 制 字 段 判别测试字段
下地址字段
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
I. 全水平型(不译法)微指令 II. 字段译码法水平型微指令 III. 直接和译码相混合的水平型微指令。
2.垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由 微操作码规定微指令的功能 ，称为垂直型微指令。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指 令字长为16位，微操作码3位。
(1)寄存器-寄存器传送型微指令 (2)运算控制型微指令
(3)访问主存微指令 (4)
3.水平型微指令与垂直型微指令的比较
(1)水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微 指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间 长。
5.8.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周 期内争用同一个功能部件所发生的冲突。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能 执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。
5.8 流水CPU
5.8.1 并行处理技术
计算机组成原理 (5)
计算机组成原理姓名：［填空题］*1.指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是（）。
［单选题］A.实现存储程序和程序控制B.缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性（正确答案）C.可以直接访问外存D.提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度2、立即寻址是指（）o ［单选题I*A.指令中直接给出操作数地址B.指令中直接给出操作数（正确答案）C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址3、直接寻址是指（）o ［单选题］*A.指令中直接给出操作数地址（正确答案）B.指令中直接给出操作数C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址4、间接寻址是指（）o ［单选题］*A.指令中直接给出操作数地址B.指令中直接给出操作数C.指令中间接给出操作数D.指令中间接给出操作数地址 15、变址寻址方式中，操作数的有效地址等于（）o ［单选题］*A.基址寄存器内容加上形式地址（位移量）B.堆栈指示器内容加上形式地址C.变址寄存器内容加上形式地址（正确答案）D.程序计数器内容加上形式地址6、基址寻址方式中，操作数的有效地址等于（）o ［单选题］*A.基址寄存器内容加上形式地址（偏移量）（正确答案）B.堆栈指示器内容加上形式地址C.变址寄存器内容加上形式地址D.程序计数器内容加上形式地址7、定点数补码加法具有两个特点：一是符号位（）；二是相加后最高位上的进位要舍去。
［单选题］*A.与数值位分别进行运算B.与数值位一起参与运算1正确答案）C.要舍去D.表示溢出8、长度相同但格式不同的2种浮点数，假设前者阶码长、尾数短，后者阶码短、尾数长，其他规定均相同，则它们可表示的数的范围和精度为（）o ［单选题］*A.两者可表示的数的范围和精度相同B.前者可表示的数的范围大但精度低（正确答案）C.后者可表示的数的范围大且精度高D.前者可表示的数的范围大且精度高9、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过（）来实现。
［单选题］*A.原码运算的二进制减法器B.补码运算的二进制减法器C.补码运算的十进制加法器D.补码运算的二进制加法器（正确答案）10、在机器数（）中，零的表示形式是唯一的。
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
计算机组成原理第5章 中央处理器
19
第二节 一、指令执行分析 任何一条指令的执行都要经过读取指令、分析 指令和执行指令三个阶段。指令执行过程一般可分 为：1）取指令 2 3 4 5
20
图5.5
流水处理
21
二、 计算机的功能是执行程序。执行程序时，计算 机操作由一系列指令周期组成，每个周期执行一条 机器指令，而每个指令周期又由若干个机器周期组 成，一种通常的办法是分解成取指、取操作数、执 行和中断，只有取指和执行周期总是必有的。 1 2 图
10
二、时序控制方式 计算机的基本任务是执行指令。执行一条指令 的过程是分为若干步来实现的，每一步对应某些微 操作。由于不同指令所对应的微操作及繁简程度大 不相同，因而每条指令和每个微操作所需的执行时 间也不相同，这就需要引入时序信号来对这些微操 作进行定时控制。时序控制方式，就是指微操作与 时序信号之间采取何种关系。按照同步或非同步的 关系，可将时序控制方式分为同步控制和异步控制
13
计算机从取指令到执行完指令所需要的时间称 为指令周期。不同的指令，其功能不同，其指令周 期长短也就可以不同。在系统中，通常不为指令周 期设置时间标志信号，因而也不将其作为时序的一 级。时序信号通常划分为三级，即机器周期、节拍
14
图5.2
时序系统结构框图
15
3) 异步控制方式中没有统一的时钟信号，各部件 按自身固有的速度工作，通过应答方式进行联络， 常见的应答信号有准备好（READY）或等待（ WAIT
16
图5.3 多级时序
17
图5.4
异步应答流程
18
在CPU中，控制器的任务是决定在什么时间、 根据什么条件、发什么命令、做什么操作。因此， 产生微命令的基本依据是时间、指令代码、状态、 外部请求等。这些信息或作为逻辑变量，经组合逻 辑电路产生微命令序列；或形成相应的微程序地址， 通过执行微指令直接产生微命令序列。按照微命令 的产生方式，可将控制器分为组合逻辑控制器和微
国开电大计算机组成原理形考任务5参考答案
国开电大计算机组成原理形考任务5参考
答案
答案】：读出信息、写入信息、清除信息、转移信息
1.在以下设备中，CPU的寄存器具有最快的存取速度。
2.对于容量为1K×8位的SRAM芯片，最少需要引出20根线，包括电源和接地线。
3.Cache被添加到主存和CPU之间，其目的是解决两者之间的速度不匹配问题。
4.RAM芯片串联的目的是增加存储单元数量和存储器字长。
5.主存储器的特点是容量小、速度快、成本高。
6.虚拟存储器的目的是为用户提供比主存更大的逻辑编程空间。
7.静态存储器、动态存储器和高速缓存存储器在停电后会丢失存储的信息。
8.对主存储器的基本操作包括读出信息、写入信息、清除信息和转移信息。
计算机组成原理第五章答案
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 AR3算术逻辑运算结果通常放在 DR 和 通用寄存器 ;2．参见图的数据通路;画出存数指令“STO Rl,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：STO R1, R2的指令流程图及微操作信号序列如下：3．参见图的数据通路,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：LAD R3, 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；T l ＝200ns,T 2=400ns,T 3=200ns,试画出时序产生器逻辑图;解：取节拍脉冲T l 、T 2、T 3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T 3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C 4外,还需要3个触发器——C l 、C 2、C 3；并令211C C T *=；321C C T *=；313C C T =,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：24132位7．某ALU 器件是用模式控制码M S 3 S 2 S 1 C 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;2,S l ,C 的逻辑表达式;由表可列如下逻辑方程 M=GS 3=H+D+FS 2=A+B+D+H+E+F+G S 1=A+B+F+G C=H+D+Ey+Fy8．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;e f h b i je f h d i jf h i bg j9μA8 = P1·IR6·T4μA7 = P1·IR5·T4μA6 = P2·C·T4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;解：μA5=P3·IR5·T4μA4=P3·IR4·T4μA3=P1·IR3·T4μA2=P1·IR2·T4μA1=P1·IR1·T4μA0=P1·IR·T4+P2·C·T4用触发器强置端低有效修改,前5个表达式用“与非”门实现,最后1个用“与或非”门实现μA2、μA1、μA触发器的微地址转移逻辑图如下：其他略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R0R3,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“ADD R1,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“ADD R1,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51248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51248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图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max100,100,80,50=100ns2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 I 1 I 2 I 15 I 16 I 17 I 18 I 19 I 20WB MEM EXIDIF123456192021222324时间T2 流水线的实际吞吐量：执行20条指令共用5+119=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nkτ；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-1τ；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 I1I2I3I4I5WBEXIDIF12345678时间T 非流水计算机的时空图：空间S I1I2WB EX ID IF1 2 3 4 5 6 7 8 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,执行n 条指令的时间为：()τ⨯-+=1n k T ；吞吐率为：()τ⨯-+=11n k nH而非流水计算机,执行n 条指令的时间为：τ⨯⨯=k n T ；吞吐率为：τ⨯⨯=k n nH 2当n=1时,21H H =；当n>1时,21H H >,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 I 1 LAD R1,A ； MA →R1,MA 是存储器单元 I 2 ADD R2,Rl ； R2+R1→R2 2 I 1 ADD R3,R4 ； R3+R4→R3 I 2 MUL R4,R5 ； R4R5→R43 I 1 LAD R6,B ； MB →R6,MB 是存储器单元I 2 MUL R6,R7 ； R6 R7→R6 解：1 I 1的运算结果应该先写入R 1,然后再在I 2中读取R 1的内容作为操作数,所以是发生RAW “写后读”相关2 WAR3 RAW 和WAW 两种相关17．参考图所示的超标量流水线结构模型,现有如下6条指令序列： I 1 LAD R1,B ； MB →R1,MB 是存储器单元 I 2 SUB R2,Rl ； R2-R1→R2 I 3 MUL R3,R4 ； R3R4→R3 I 4 ADD R4,R5 ； R4+R5→R4I 5 LAD R6,A ； MA →R6,MA 是存储器单元 I 6 ADD R6,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取/存加法器乘法器写回段1234567891011时钟I1I2超标量流水线的时空图。
计算机组成原理——指令系统5
15条二地址指令
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001 1111 1111 1110 … …
16 位操作码
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111 … … …
…
… …
15条一地址指令
16条零地址指令
RISC
RISC——精简指令系统计算机 RISC的优点 RISC通过简化指令功能使计算机结构更为合理从而提高计算速度 RISC将原CISC中复杂指令用子程序代替 I增多，CPI大大减少 P减少
其中：I为目标程序的指令数、CPI每条指令平均周期数
故：指令执行时间P=I*CPI*T
RISC的特点 (1)优先选取使用频率高以及很有用但不复杂的指令。 (2)指令长度固定，指令格式、寻址方式种类少。 (3)除取数/存数指令外，其余指令操作都在寄存器之间。 (4)CPU中通用寄存器数量多。 (5)大部分指令在一个或小于一个机器周期内完成。 (6)以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制。 (7)一般用高级语言编程，重视编译优化工作。
• 指令执行阶段不访存 • A 的位数限制了立即数的范围
2. 直接寻址
EA = A 有效地址由形式地址直接给出
寻址特征
主存
LDA
A
A 操作数 ACC
• 执行阶段访问一次存储器
• A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围
• 操作数的地址不易修改（必须修改A）
3. 隐含寻址
操作数地址隐含在操作码中
寻址特征
(1) 四地址
8
6
6
6
6
OP A1 A2 A3 A4
计算机组成原理 第五版 习题答案
计算机组成原理 第五版 习题答案
计算机组成原理 第五版 习题答案
第一章 .............................................................................................................................................. 1 第二章 .............................................................................................................................................. 3 第三章 ............................................................................................................................................ 14 第四章 ............................................................................................................................................ 19 第五章 ............................................................................................................................................ 21 第六章 ............................................................................................................................................ 27 第七章 ............................................................................................................................................ 31 第八章 ............................................................................................................................................ 34 第九章 ............................................................................................................................................ 36
计算机组成原理第五章(白中英版)PPT课件
取出CLA指令
算术逻辑单元
ALU
累加器AC
取指 控制
操作控制器
时序产生器
执行 控制
时钟
状态 反馈
c
+ 1
c
20 CLA 21 ADD 30 22 STA 40 23 NOP 24 JMP 21
30 000 006 31 40
指令译码器
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
15
2
第5章 中央处理器 计算机组成原理
5.1 CPU的组成和功能 5.2 指令周期 5.3 时序产生器和控制方式 5.4 微程序控制器 5.5 微程序设计技术 5.6 硬布线控制器 5.7 传统CPU
5.8 流水CPU 5.9 RISC CPU 5.10 多媒体CPU 5.11 CPU性能评价
3
5.1 CPU的功能和组成
30 000 006 31 40
CLA
c
CLA
c 指令寄存器IR
缓冲寄存器DR
数据总线DBUS
16
5.2.3 ADD指令的指令周期
一个CPU周期 一个CPU周期 一个CPU周期
取指令 开始 PC+1
执行加 操作
取下条指 令PC+1
对指令 译码
送操作 数地址
取出操 作数
取指令阶段
执行指令阶段
17
取出并执行ADD指令
☼ 第一章 计算机系统概论 ☼ 第二章 运算方法和运算器 ☼ 第三章 存储系统 ☼ 第四章 指令系统 ☼ 第五章 中央处理器 ☼ 第六章 总线系统 ☼ 第七章 外围设备 ☼ 第八章 输入输出系统 ☼ 第九章 并行组织
计算机组成原理第五章答案
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8
16、判断以下三组指令中各存在哪种类型的数据相关？
① I1 LDA R1 , A ;M(A)R1 I2 ADD R2 , R1 ;(R2)+(R1)R2 写后读相关
② I3 ADD R3 , R4 ;(R3)+(R4)R3 I4 MUL R4 , R5 ;(R4) ×(R5) R4 读后写相关
第5章 中央处理机
2、参见图5.15的数据通路，画出存数指令STO R1，（R2） 的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至 （R2）为地址的数存单元中。
指令 地址
数据单元 指令
数据 地址
数据
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2
存数指令STO R1，（R2）
取指周期
执行周期
PC0 G (PC)AR ARi
R/W=1 (M)DR
③ I5 LDA R6 , B ;M(B)R6
写后写相关
I6 MUL R6 , R7 ;(R6) ×(R7) R6
可编辑ppt
9
微指令的数目为80×3+1=241条； 微指令字长为32/8=4字节； 故，控制存储器的容量为 241×4=964字节
该容量为控制存储器的最小容量。
可编辑பைடு நூலகம்pt
6
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。
DR0 G
(DR)IR
IRi
R20 (R2)AR G
ARi
R10 (R1)DR G
DRi
DRMM R/W=0
译码
可编辑ppt
3
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)为地址数存 单元的内容取至寄存器R0中。
计算机组成原理第五版答案
计算机组成原理第五版答案计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要课程，它是培养学生对计算机硬件结构和工作原理的基本认识和理解的重要课程之一。
本文将针对计算机组成原理第五版中的一些问题进行解答，希望能够帮助学习者更好地理解和掌握这门课程的知识。
1. 什么是计算机组成原理？计算机组成原理是研究计算机硬件系统组成和工作原理的学科，它主要包括计算机的基本组成结构、指令系统、数据表示、运算单元、控制单元、存储器层次结构、输入输出系统等内容。
通过学习计算机组成原理，可以深入了解计算机内部的工作原理，为进一步学习计算机体系结构、操作系统、编译原理等课程打下坚实的基础。
2. 计算机的基本组成结构有哪些？计算机的基本组成结构包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和外部设备等部分。
其中，中央处理器是计算机的核心部件，它包括运算单元和控制单元，负责执行计算机程序的指令和控制计算机的运行。
存储器用于存储数据和程序，输入设备用于接收外部数据，输出设备用于向外部输出处理结果，外部设备用于与计算机进行数据交换。
3. 什么是指令系统？指令系统是计算机中用于控制和操作的一组机器指令的集合，它包括数据传输指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令等。
指令系统的设计和实现对计算机的性能和功能有着重要的影响，合理的指令系统可以提高计算机的运行效率和灵活性。
4. 计算机的数据表示有哪些方式？计算机的数据表示主要包括原码、反码、补码、浮点数表示等方式。
原码是最基本的数据表示方式，反码是原码的符号位不变，其余位取反，补码是在反码的基础上加1。
浮点数表示采用科学计数法表示实数，包括阶码和尾数两部分，可以表示很大或很小的数。
5. 存储器层次结构包括哪些层次？存储器层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等层次。
寄存器是CPU内部的存储器，速度最快，容量最小；高速缓存是CPU与主存之间的缓冲存储器，速度较快，容量较小；主存储器是计算机主要的存储器，速度适中，容量较大；辅助存储器是外部存储器，速度较慢，容量很大。
计算机组成原理第五章答案
31. 假设某设备向CPU传送信息的最高 频率是40K次/秒，而相应的中断处理程序其 执行时间为40s，试问该外设是否可用程序 中断方式与主机交换信息，为什么？
解：该设备向CPU传送信息的时间间隔 =1/40K=0.025×103=25s < 40s
则：该外设不能用程序中断方式与主机
交换信息，因为其中断处理程序的执行速度 比该外设的交换速度慢。
直接控制适用于结构极简单、速度极慢的 I/O设备，CPU直接控制外设处于某种状态而无须 联络信号。
同步方式采用统一的时标进行联络，适用于 CPU与I/O速度差不大，近距离传送的场合。
异步方式采用应答机制进行联络，适用于 CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。
4. 试比较程序查询方式、程序中断方式和DMA方式 对CPU工作效率的影响。 答：
I/O数据送BR 或(BR)送I/O
就绪
数据传送：
响应， 停止CPU
让出
总线 (AR)送
访存
MM(MAR)；
准备下 个数据
现 行 程
(AR)+1；R/W (BR)送MDR； WC减1；
序 等
B待
DMA请求就绪
I/O数据送BR
或(BR)送I/O C
D
CPU I/O
B D
现 行 程 序 等 待
DMAC
程序对I/O的控制包括了I/O准备和I/O传送两段时 间。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序 中要反复询问I/O的状态，造成“踏步等待”，严 重浪费了CPU的工作时间。
而程序中断方式虽然也是通过“程序”传送
数据，但程序仅对I/O传送阶段进行控制，I/O准 备阶段不需要CPU查询。故CPU此时照样可以运 行现行程序，与I/O并行工作，大大提高了CPU的 工作效率。
计算机组成原理第五章答案
10. 什么是I/O接口?它与端口有何区别？为 什么要设置I/O接口？I/O接口如何分类？ 解： I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连 接部件； I/O端口一般指I/O接口中的各种寄存器。 I/O接口和I/O端口是两个不同的概念。一 个接口中往往包含若干个端口，因此接口地址 往往包含有若干个端口地址。
若为输出，除数据传送方向相反以外，其他操作 与输入类似。工作过程如下： 1）CPU发I/O地址地址总线接口设备选择 器译码选中，发SEL信号开命令接收门； 2）输出： CPU通过输出指令（OUT）将数据放 入接口DBR中； 3）CPU发启动命令 D置0，B置1 接口向设 备发启动命令设备开始工作； 4）CPU等待，输出设备将数据从 DBR取走； 5）外设工作完成，完成信号接口 B置0，D 置 1； 6）准备就绪信号控制总线 CPU，CPU可通 过指令再次向接口DBR输出数据，进行第二次传送。
2. 简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用 哪几种联络方式？它们分别用于什么场合？ 答： CPU与I/O之间传递信息常采用三种联 络方式：直接控制（立即响应）、 同步、异步。 适用场合分别为： 直接控制适用于结构极简单、速度极慢的 I/O设备，CPU直接控制外设处于某种状态而无须 联络信号。 同步方式采用统一的时标进行联络，适用于 CPU与I/O速度差不大，近距离传送的场合。 异步方式采用应答机制进行联络，适用于 CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。
启动
I/O准备 就绪
DMA请求
数据传送： 响应， 让出一个 MM周期
现行程序
准备下 个数据
现行程序 A
DMA请求 总线请求
就绪
D
B
CPU
DMAC
C
I/O
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CPU 组成与机器指令执行实验
一、实验目的
（1）将微程序控制器同执行部件（整个数据通路）联机，组成一台模型计算机；（2）用微程序控制器控制模型机数据通路；
（3）通过CPU 运行九条机器指令（排除中断指令）组成的简单程序，掌握机器指令与微指令的关系，牢固建立计算机的整机概念。
二、实验电路
本次实验用到前面四个实验中的所有电路，包括运算器、存储器、通用寄存器堆、程序计数器、指令寄存器、微程序控制器等，将几个模块组合成为一台简单计算机。
因此，在基本实验中，这是最复杂的一个实验，也是最能得到收获的一个实验。
在前面的实验中，实验者本身作为“控制器”，完成数据通路的控制。
而在本次实验中，数据通路的控制将由微程序控制器来完成。
CPU 从内存取出一条机器指令到执行指令结束的一个机器指令周期，是由微指令组成的序列来完成的，即一条机器指令对应一个微程序。
三、实验要求
（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。
将下表的程序按指令格式手工汇编成十六进制机器代码，此项任务应在预习时完成。
完成表1.
（2）按照下面框图，参考前面实验的电路图完成连线，控制器是控制部件，数据通路（包括上面各模块）是执行部件，时序产生器是时序部件。
连线包括控制台、时序部分、数据通路和微程序控制器之间的连接。
其中，为把操作数传送给通用寄存器组 RF，数据通路上的RS1、RS0、RD1、RD0 应分别与IR3 至IR0 连接，WR1、WR0 也应接到IR1、IR0 上。
开关控制
控制台时序发生器
时序信号
开关控制指示灯信号控制信号时序信号
控制信号
微程序控制器数据通路
指令代码、条件信号
图13 模型计算机连线示意图
（3）将上述任务（1）中的程序机器代码用控制台操作存入内存中，并根据程序的需要，用数码开关SW7—SW0 设置通用寄存器R2、R3 及内存相关单元的数据。
注意：由于设置通用寄存器时会破坏内存单元的数据，因此一般应先设置寄存器的数据，再设置内存数据。
（4）用单拍（DP）方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆RF 中四个寄存器的数据，以及由STA 指令存入RAM 中的数据（程序结束后从RAM 的相应单元中读出），与理论分析值作对比。
单拍方式执行时注意观察微地址指示灯、IR/DBUS 指示灯、AR2／AR1 指示灯和判断字段指示灯的值，以跟踪程序中取指令和执行指令的详细过程（可观察到每一条微指令）。
（5）以单指（DZ）方式重新执行程序一遍，注意观察 IR/DBUS 指示灯、AR2/AR1
指示灯的值（可观察到每一条机器指令）。
执行结束后，记录 RF 中四个寄存器的数据，以及由 STA 指令存入RAM 中的数据，与理论分析值作对比。
注意：单指方式执行程序时，四个通用寄存器和RAM 中的原始数据与第一遍执行程序的结果有关。
（6）以连续方式（DB、DP、DZ 都设为０）再次执行程序。
这种情况相当于计算机正常运行程序。
由于程序中有停机指令STP，程序执行到该指令时自动停机。
执行结束后，记录 RF 中四个寄存器的数据，以及由STA 指令存入RAM 中的数据，与理论分析值作对比。
同理，程序执行前的原始数据与第二遍执行结果有关。
四、实验步骤和实验结果
（1）对机器指令系统组成的简单程序进行译码。
地址指令机器代码
00H LDA R0,[R2] 58H
01H LDA R1,[R3] 5DH
02H ADD R0,R1 0HH
03H JC +5 95H
04H ND R2,R3 3EH
05H SUB R3,R2 1BH
06H STA R3,[R2] 4BH
07H MUL R0,R1 24H
08H STP 60H
09H JMP [R1] 84H
2．接线
（1）将跳线开关J1短接，时许发生器的输入TJ1接控制存储器的输出TJ。
控制器的输入C接运算器ALU的C。
控制器的输入IR7、IR6、IR5、IR4依次接指令寄存器IR7、IR6、IR5、IR4。
共六条线。
（2）控制器的输出LDIR（CER）、LDPC(LDR4)、PC_ADD、PC_INC、M4、LDIAR、LDAR1(LDAR2)、 AR1_INC、M3、LDER、IAR_BUS#、SW_BUS#、RS_BUS#、ALU_BUS、CEL#、LRW、WRD、LDDR1(LDDR2)、 M1（M2）、S2、S1、S0 依次与数据通路的对应信号连接。
共27 条线。
(3)指令寄存器IR 的输出IR0 接双端口寄存器堆的RD0、WR0，IR1 接RD1、WR1，IR2 接RS0， IR3 接RS1。
共6 条线。
合上电源。
按CLR#按钮，使实验系统处于初始状态。
3、存程序机器代码，设置通用寄存器R2、R3 及内存相关单元的数据。
a.设置通用寄存器R2、R3 的值。
本操作中，我们从00 地址开始存10 个机器代码：58H，5DH，04H，95H，3EH，1BH，4BH， 24H，60H，84H。
在60H 存入24H，用于给R0 置初值；在61H 存入
试验系统处于连续运行试验系统处于KLD工作方
ＣＬＲ＃
式ＳＷＣＳＷＢＳＷＡ
００００１１按下复位
b.
请先按照以上两表完成以下功能：
1、00H=>AR1
2、58H=>地址00H
3、5H=>地址01H
4、04H=>地址02H
5、95H=>地址03H
6、3EH=>地址04H
7、1BH=>地址05H
8、4BH=>地址06H
9、24H=>地址07H 10、60H=>地址08H 11、34H=>地址09H 12、60H=>地址AR1 13、24H=>地址60H 14、83H=>地址61H
4、用单排的方式执行一遍程序，列表记录通用寄存器堆RF中四个寄存器的数据。
以集资STR指令存入RAM中的数据（程序结束后从RAM的响应单元中读出），单拍方式执行时注意观察微地址指示灯、1R/DBUS指示灯、AR1/AR2指示灯和判断字段指示灯的值，以更总程序中出指令和执行指令的详细过程（可观察一条微指
5、一旦指令执行程序一遍，注意观察1R/DBUS指示灯、AR1/AR2指示灯的值（可观察一条机器指令）。
执行结束后，记录RF中四个寄存器的数据。
以集资STR 指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。
注意：单指方式执行程序后，四个通用寄存器和RAM中原始数据余地以便执行结果有关。
6、以连续方式在执行程序。
这种情况相当与计算机正常运行程序。
由于程序中有停机指令STP，程序执行到该指令时自动停机。
执行结束后，记录RF中四个寄存器的数据，以集资STR指令存入RAM中的数据，与理论分析值作对比。
同理，程序执行前的原始数据与第二遍执行有关。
五、实验总结
通过本次试验，我了解了计算机的基本模型，并通过微程序控制它。
同时也掌握了机器指令与微指令的关系，建立起了计算机的整体概念。
基本上完成了实验要求，达到了实验目的。
在实验过程中，接线工作量大，经常因信号线接错而控制出错，影响实验结果。