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（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 T0 (4 N ) /( 2.5 10 ) 1.6 N 10 s
9 9
5 级流水处理器的总执行时间 T1 ( N 5 1) /( 2 10 ) 2( N 4) 10 s
9
9
加速比=
T0 3.2 N ，N 很大时加速比≈3.2 T1 N 4
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。
“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：
数据传送 到内存 数据来自 内存 数据传送 到内存 指令来自 内存
控制器 寄存器组
整数单元 数据通路 处理器
浮点单元
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。
a. S p
T串 nm = 5 速度几乎是非流水线结构的 5 倍。 T流水 m n 1
n T流水 2500MIPS
b. Tp
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？
（2）非流水式处理器Hale Waihona Puke BaiduCPI=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。
3.15 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
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）？
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。
3.3 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。
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5 级流水处理器的总执行时间 T1 ( N 5 1) /( 2 10 ) 2( N 4) 10 s
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加速比=
T0 3.2 N ，N 很大时加速比≈3.2 T1 N 4
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。
“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：
数据传送 到内存 数据来自 内存 数据传送 到内存 指令来自 内存
控制器 寄存器组
整数单元 数据通路 处理器
浮点单元
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。
a. S p
T串 nm = 5 速度几乎是非流水线结构的 5 倍。 T流水 m n 1
n T流水 2500MIPS
b. Tp
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？
（2）非流水式处理器Hale Waihona Puke BaiduCPI=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。
3.15 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
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）？
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。
3.3 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。