CPU习题课练习课案

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。

AS

AS1

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) R1(A)+ R2(B)= 1010，输出结果错

(2) R2(A)+ R1(B)= 1111，结果正确，说明R2(A)，R1(B)无错

(3) R1(A)+ R1(B)= 1010，结果正确，说明R1(A)，R1(B)无错

由此可断定ALU和BR无错

(4) R2(A) + R2(B) =1001，结果错，由于R2(A)正确且R2(A)=1010

推知R2(B)=0101，显然多路开关B有问题

(5) R2(A) + BR(B) =1111，结果错，由于R2(A)=1010，BR(B)=1111，

但现推知BR(B)=0101，证明开关B输出有错

(6)R1(A)+BR(B) =1010，结果错，由于R1(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BS0，BS1始终为01，故始终选

中寄存器R1；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）R2→Y 与R1→Y 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。

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

Y

Y R1

DBUS →R2

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。

o

,G AR i 取

o,G,IR i

2o,G

0o,G

，G,R0i

5、一台处理机具有如下指令格式

２位６位３位３位

格式表明有８个通用寄存器（长度16位），X指定寻址模式，主存实际容量为256k字。假设不用通用寄存器也能直接访问主存中的每一个单元，并假设操作码域OP=6位，请问地址码域应分配多少位？指令字长度应有多少位？

假设X=11时，指定的那个通用寄存器用做基值寄存器，请提出一个硬件设计规划，使得被指定的通用寄存器能访问1M主存空间中的每一个单元。

解：（１）因为218=256K，所以地址码域＝18位, 操作码域＝6位

指令长度＝18 + 3 + 3 + 6 + 2 = 32位

（２）此时指定的通用寄存器用作基值寄存器（16位），但16位长度不足以覆盖1M字地址空间，为此将通用寄存器左移，４位低位补0形成20位基地址。然后与指令字形式地址相加得有效地址，可访问主存1M地址空间中任何单元。

6、某计算机有8条微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号见

下表所示，a—j 分别对应10种不同性质的微命令信号。假设微指令的控制字段仅限8位，请安排微指令的控制字段格式。

解：微指令的控制字段为 8 位。

根据 10 个微命令的兼容性和互斥性，分成 3 组。分别为 2 位、2 位

和 4 位的小字段。每个2 位的组是3 个微命令的编码，需译码。4 位

的组每位是 1 个微命令，不需译码。