CPU习题课练习

1、设某运算器只由一个加法器和A,B 两个D 型边沿寄存器组成，A,B 均可接加法器输出，A 还可接收外部数据，如图所示，问：

（1）外部数据如何才能传送到B (2) 如何实现A+B

A 和A+B

B

(3) 如何估算加法执行时间

解：(1) 外部数据传送到B 的操作：S 选D ，CPA,A ∑,M,CPB

(2) 实现A+B A 的操作：A ∑,B ∑,+,S 选∑,CPA 实现A+B

B 的操作：A

∑,B

∑,+,CPB

(3) 影响加法速度的关键因素是进位信号的传递问题，所以估算加法执行时间要看∑加法器采用何种进位方式，分析进位信号的产生时间。

2、四位运算器框图如图2所示。ALU 为算术逻辑单元，A 和B 为三选一多路开关，预先已通过多路开关A 的SW 门向寄存器R1、R2送入数据如下，R1=0101，R2=1010，寄存器BR 输出端接四个发光二极管进行显示，其运算过程依次如下：显示灯

(1) R1（A ）+ R2（B ） BR(1010)；(2)R2（A ）+ R1（B ） BR(1111)； (3) R1（A ）+ R1（B ） BR(1010)；(4)R2（A ）+ R2（B ） BR(1111)； (5) R2（A ）+ BR （B ） BR(1111)； (6)R1（A ）+ BR （B ） BR(1010)； 试分析运算器的故障位置，说明理由。

FLA

∑加

A

B

二

CP

A B S C

C

D

图2

解：运算器的故障位置在多路开关B，其输出始终为R1的值。分析如下：

(1) R

1(A)+ R

2

(B)= 1010，输出结果错

(2) R

2(A)+ R

1

(B)= 1111，结果正确，说明R

2

(A)，R

1

(B)无错

(3) R

1(A)+ R

1

(B)= 1010，结果正确，说明R

1

(A)，R

1

(B)无错

由此可断定ALU和BR无错

(4) R

2(A) + R

2

(B) =1001，结果错，由于R

2

(A)正确且R

2

(A)=1010

推知R

2

(B)=0101，显然多路开关B有问题

(5) R

2(A) + BR(B) =1111，结果错，由于R

2

(A)=1010，BR(B)=1111，

但现推知BR(B)=0101，证明开关B输出有错

(6)R

1(A)+BR(B) =1010，结果错，由于R

1

(A)=0101，本应

BR(B)

=1111，但现推知BR(B)=0101，证明开关B输出有错

综上所述，多路开关B输出有错。故障性质：多路开关B输出始终

为0101，这有两种可能：一是控制信号BS

0，BS

1

始终为01，故始终选中

寄存器R 1；二是多路开关B 电平输出始终嵌在0101上。

3、某运算部件的基本结构如图3所示，假定此部件只有加(+)和减(-)两种基本操作，要求：

（1） 给出运算部件的所有微命令。

（2） 指出哪些微命令是相容的，哪些是相斥的

（3）试用位数最少的操作控制字段来表示全部微命令。

图3

解：（1）运算部件的微命令如下图所示。

（2）R2Y 与R1Y 是相斥的；+与-是相斥的；DBUS R1与DBUS

R2是

相容的；R1

X 与R2

Y 是相容的。

（3） 微命令采用字段直接编码法。DBUS

R1与DBUS

R2在指令的执行过程中不会同时出现，可以将它们放在同一字段，用2位来控制。

+与-也是相斥的，放在同一字段，用2位来控制，但由于能放在同一字段的微命令只有2位，采用直接控制法也只需用2位，所以采用直接控制。

根据以上分析，操作控制字段共有8个微命令，全部采用直接控制方式。

ALU

+

- X

Y

R1

R2

ALU DBUS

R2Y R1

Y

R1

X

DBUS

DBUS

ALU

+ - X

Y

R1 R2

ALU DBUS

4、图4所示为双总线结构机器的数据通路，IR 为指令寄存器，PC 为程序计数器（具有自增功能），M 为主存（受R/W 信号控制），AR 为主存地址寄存器，DR 为数据缓冲寄存器。ALU 由加减控制信号决定完成何种操作。控制信号G 控制的是一个门电路。另外，线上标注有控制信号，例如Yi 表示Y 寄存器的输入控制信号，R1o 表示寄存器R1的输出控制信号。未标注的线为直通线，不受控制。

现有“ADD R2, R0”指令完成(R0) + (R2) → R0的功能操作。请画出该指令的指令周期流程图，并列出相应的微命令控制信号序列。假设该指令的地址已放入PC 中。

图4

解：ADD 指令是加法指令，参与运算的二数放在R0和R2中，相加结果放在R0中。指令周期流程图如下图所示，包括取指令阶段和执行指令阶段两部分。每一方框表示一个CPU 周期。其中框内表示数据传送路径，框外列出微操作控制信号。

PC ,G AR i 取

指 R/W=1

DR o ,G,IR i

R 2o ,G

执 R 0o ,G 行

+，G,R0i

PC →AR

M →DR

R →Y

DR →IR

R →X

R+ R →R