电子科大-微机原理习题解答-chap3

“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处理器有哪些功能？说明实现这些功能各需要哪些部件，并画出处理器的基本结构图。

处理器的基本功能包括数据的存储、数据的运算和控制等功能。

其有5个主要功能：①指令控制②操作控制③时间控制④数据加工⑤中断处理。

其中，数据加工由ALU、移位器和寄存器等数据通路部件完成，其他功能由控制器实现。

处理器的基本结构图如下：
3.2处理器内部有哪些基本操作？这些基本操作各包含哪些微操作？
处理器内部的基本操作有：取指、间接、执行和中断。

其中必须包含取指和执行。

取指包含微操作有：经过多路器把程序计数器的值选送到存储器，然后存储器回送所期望的指令并将其写入指令寄存器，与此同时程序计数器值加1，并将新值回写入程序计数器。

间接有4个CPU周期，包含微操作有：第1周期把指令寄存器中地址部分的形式地址转到地址寄存器中；第2周期完成从内存取出操作数地址，并放入地址寄存器；第3周期中累加器内容传送到缓冲寄存器，然后再存入所选定的存储单元。

执行包含微操作有：在寄存器中选定一个地址寄存器，并通过多路器将值送到存储器；来自于存储器的数据作为ALU的一个原操作数，另一个原操作数则来自于寄存器组中的数据寄存器，它们将一同被送往ALU的输入；ALU的结果被写入寄存器组。

中断包含微操作有：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。

3.3什么是冯·诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈？如何克服？
冯·诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈是数据传输和指令串行执行。

可以通过以下方案克服：采用哈佛体系结构、存储器分层结构、高速缓存和虚拟存储器、指令流水线、超标量等方法。

3.5指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能？
指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合，其决定了一台计算机硬件主要性能和基本功能。

指令系统一般都包括以下几大类指令。

：1）数据传送类指令。

（2）运算类指令 包括算术运算指令和逻辑运算指令。

（3）程序控制类指令 主要用于控制程序的流向。

（4）输入/输出类指令 简称I/O 指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息。

因而，其设计会影响到计算机系统如下性能: 数据传送、算术运算和逻辑运算、程序控制、输入/输出。

另外，其还会影响到运算速度以及兼容等。

3.9某时钟速率为2.5GHz 的流水式处理器执行一个有150万条指令的程序。

流水线有5段，并以每时钟周期1条的速率发射指令。

不考虑分支指令和乱序执行带来的性能损失。

a)同样执行这个程序，该处理器比非流水式处理器可能加速多少？ b)此流水式处理器是吞吐量是多少（以MIPS 为单位）？ a.=51
p T nm S T m n 串流水=?+-速度几乎是非流水线结构的5倍。

b.2500MIPS p n T T 流水=? ，2.5G 个指令/秒
3.10一个时钟频率为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991(51)/(210)
0.5*(4)10T N N s -=+-?+? 加速比=01 3.24
T N T N n ，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。

3.11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。

3.13 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。

3.14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。

3.15说明流水线体系结构中的5个阶段的操作。

能否把流水线结构分为6阶段？如果可能，试给出你的方案。

流水线若分为5个阶段应包括：取指，译码，取操作数，执行，数据回写
流水线若分为6个阶段应包括：取指，译码，取操作数，执行，存储器操作，数据回写
补充题：1、有一条4个段的线性流水线，各段的执行时间分别为50ns、50ns、100ns、200ns。

（1）连续向流水线输入6条指令，画出指令执行的时-空图，求该流水线的实际吞吐率和效率。

注意计算时需写出步骤。

（2）该流水线的瓶颈在哪一个段？请采用两种不同的措施消除此瓶颈，画出两种改进
方法后执行6条指令的时-空图。

（1）
6/(5050100200)200*(61)6*1000 4.291400
p T Instruction ns MIPS MIPS =++++-=?
6*(5050100200)43%4*(5050100200(61)*200)
E +++=
?++++- （3） 方法一：将100ns 和200ns ，拆分为两个50ns 和四个50ns 。

方法二：使用超标量的方法，引入2个独立部件执行100ns 的操作，4个独立部件执行200ns 的操作。

两种方法，都使得每50ns ，流水线出来一条指令（不考虑流水线寄存器的影响）
6/(5050100200)50*(61)
6*10009.23650
p T Instruction ns MIPS MIPS =++++-=?
6*(5050100200)46%8*(5050100200(61)*50)
E +++=?++++-
2. 某计算机指令系统中，指令字长为12位，每个地址码长3位，有三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。

（1）能否以扩展操作码为其编码？说明其理由。

（2）如果其中单地址指令为254条呢？说明其理由。

（1） 三地址指令格式 (XXX 表示3bit 的地址码)
000 XXX XXX XXX ~011 XXX XXX XXX
255个单地址指令
100 000 000 XXX ~ 111 111 110 XXX
剩余的零地址指令为
111 111 111 000 ~ 111 111 111 111, 只有8个
所以： 不能！
（2） 如果254个单地址指令
100 000 000 XXX ~ 111 111 101 XXX
零地址指令为
111 111 110 000 ~ 111 111 111 111 ，有16个所以：可以！。