第五章 中央处理器

单选题
1、一般机器周期的时间是根据（）来规定的。

∙主存中读取一个指令字的时间
∙主存中读取一个数据字的时间
∙主存中写入一个数据字的时间
∙主存中读取一个数据字的时间
正确答案：A
2、存放微程序的控制存储器称为：
∙高速缓冲存储器
∙控制存储器
∙虚拟存储器
∙主存储器
正确答案：B
3、计算机操作的最小时间单位是：
∙时钟周期
∙指令周期
∙CPU周期
∙微指令周期
正确答案：A
4、以下叙述中正确描述的句子是：
∙同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相容性微操作
∙同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相交性微操作∙同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相斥性微操作∙同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫排他性微操作正确答案：A
5、在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是：
∙MAR
∙PC
∙IR
∙PSW
正确答案：B
6、同步控制是:
∙只适用于CPU控制的方式
∙只适用于外围设备控制的方式
∙由统一时序信号控制的方式
∙所有指令执行时间都相同的方式
正确答案：C
7、下列部件中不属于控制器的是：
∙IR
∙操作控制器
∙PC
∙PSW
正确答案：D
判断题
8、指令流水线中主要存在三种相关冲突：资源相关、数据相关及控制相关。

∙对
∙错
正确答案：对
9、微程序控制器属于存储逻辑型，以微程序解释执行机器指令，采用存储逻辑技术实现。

∙对
∙错
正确答案：对
10、指令寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元的地址。

∙对
∙错
√恭喜！答对啦
11、程序计数器用于存放CPU正在执行的指令的地址。

∙对
∙错
正确答案：错
12、地址寄存器用于存放当前执行的指令码，供进行指令译码。

∙对
正确答案：错
13、时钟周期是CPU处理操作的最大时间单位。

∙对
∙错
正确答案：错
14、并发性指两个或两个以上事件在同一时间间隔内发生。

∙对
∙错
正确答案：对
15、微程序控制器的优点：规整性、灵活性、可维护性强。

∙对
∙错
正确答案：对
16、微操作是执行部件接受微命令后所进行的操作，是计算机硬件结构中最基本的操作。

∙对
∙错
正确答案：
17、微命令指控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令，是构成控制信号序列的最小单位。

∙错
正确答案：对
18、硬布线控制器的缺点：增加了到控存中读取微指令的时间，执行速度慢。

∙对
∙错
33、计算机内有哪两股信息在流动？如何区分它们？
正确答案：一股是控制信息，即操作命令，其发源地是控制器，流向各个部件，形成指令流；一股是数据信息，它受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件，形成数据流。

一般地，取指周期从内存读出的信息流是指令流，流向控制器；而执行周期从内存读出或向内存写入的信息流是数据流，在内存和运算器之间交互。

34、简述CPU基本功能
正确答案：解：
(1)指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。

(2)操作控制：管理并产生每条指令的操作控制信号，并把操作控制信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。

(3)时间控制：对各种操作实施时间上的定时，称为时间控制。

(4)数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。

35、简述什么是微指令？
正确答案：解：
每个微周期的操作所需的控制命令构成一条微指令。

微指令包含了若干微命令信息。

36、简述什么是微命令？
正确答案：解：
微命令指控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令，是构成控制信号序列的最小单位。

37、简述什么是指令周期？
正确答案：解：
指令周期是指取出并执行一条指令的时间。

它由若干个CPU周期组成。

38、简述什么是微程序控制器？
正确答案：解：
微程序控制器是采用微程序方式构成的控制器，以若干有序微指令组成的微程序解释执行一条机器指令。

它由控制存储器、微指令寄存器、地址转移逻辑等构成。

应用题
39、参见下图的数据通路，画出取数指令"LDA（R3），RO"的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。

正确答案：解："LDA（R3），RO"指令是一条取数指令，其指令周期流程图如下图所示：
40、参见下图的数据通路。

画出存数指令"STA 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）为地址的主存单元中。

标出各微操作信号序列
正确答案：解："STAR1，(R2)"指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：
41、设运算器结构如下图所示，IR为指令寄存器，R1～R3是三个通用寄存器，其中任何一个都可以作为源寄存器或目标寄存器，A和B是三选一多路开关，通路的选择分别由AS0、AS1和BS0、BS1控制，S1、S2是ALU的操作性质控制器：当S1S2=00时，ALU输出B；=01时输出A+B；=10时输出A-B；=11时输出¬B。

另有三条机器指令：MOV（从源寄存器传送一个数到目标寄存器）、ADD （源寄存器内容于目标寄存器内容相加后送目标寄存器）和COM（源寄存器内容取反后送目标寄存器）。

假设控存CM仅有16个单元，且只考虑运算器数据通路的控制，请设计微指令格式。

正确答案：微指令参考格式如下：
AS1 AS0 BS1 BS0 S2 S1 +1 ALU-BUS LDIR LDR1 LDR2 LDR3 P1 P2 μA3-μA3
位
号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15-18
42、流水线中有写后读、读后写和写后写三种数据相关冲突，试判断下面指令存在哪种类型的数据相关。

I1：ADD R1，R2，R3 ；R2+R3 -> R1
I2：SUB R4，R1，R5 ；R1-R5 -> R4
正确答案：解：
在I2指令进入流水线时，可能出现在I1指令写入R1前就读出R1内容，发生了写后读相关。

43、已知CPU结构如下图所示，其中包括一个累加器AC、一个状态寄存器和其他几个寄存器。

各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传递方向。

试完成以下工作：①写出图中四个寄存器A、B、C、D的名称和作用；②简述完成指令AD D Y的数据通路（Y为存储单元地址，本指令功能为(AC)+(Y)→AC）。

正确答案：解答：
A-数据缓冲寄存器DR、
B-指令寄存器IR、
C-主存地址寄存器AR、
D-程序计数器PC。

操作的数据通路为：
PC→AR→MM→DR→IR→Y→AR（MAR）→MM→DR（MDR）→ALU→ADD（控制信号）→AC
44、流水线中有三类数据相关冲突：写后读（RAW）相关；读后写（WAR）相关；写后写（WAW）相关。

判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。

(1) I1 LAD R1，A ；M（A）→R1，M（A）是存储器单元
I2 ADD R2，R1 ；（R2）+（R1）→R2
(2) I3 ADD R3，R4 ；（R3）+（R4）→R3
I4 MUL R4，R5 ；（R4）×（R5）→R4
(3) I5 LAD R6，B ；M（B）→R6，M（B）是存储器单元
I6 MUL R6，R7 ；（R6）×（R7）→R6
正确答案：解：
（1）写后读（RAW）相关；
（2）读后写（WAR）相关，但不会引起相关冲突；
（3）写后读（RAW）相关、写后写（WAW）相关
45、今有4级流水线分别完成取值、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，那么第二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？
正确答案：解：
(1)流水线的操作时钟周期t应按四步操作中最长时间来考虑,所以t=100ns；
(2)两条指令发生数据相关冲突情况：:
ADDR1,R2,R3;R2+R3→R1
SUBR4,R1,R5;R1-R5→R4
两条指令在流水线中执行情况如下表所示:
ADD指令在时钟4时才将结果写入寄存器R1中,但SUB指令在时钟3时就需读寄存器R1了，显然发生数据相关，不能读到所需数据，只能等待。

如果硬件上不采取措施,第2条指令SUB至少应推迟2个操作时钟周期，即t=2×100ns=200ns；(3)如果硬件上加以改进(采取旁路技术),这样只需推迟1个操作时钟周期就能得到所需数据，即t=100ns。

46、已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为：512×48(位)。

微程序可在整个控制存储器中实现转移，可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）微指令中的三个字段分别应为多少位？
（2）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。

正确答案：解：（l）假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段为4位；又因为控存容量为512单元，所以下地址字段为9位。

微命令字段则是：
（48－4－9）=35位。

（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下图所示。

其中微地址寄存器对应下地址字，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令字段，后两部分组成微指令寄存器。

地址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志（某一位为1），其输出用于控制修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移（此例微指令的后继地址采用断定方式）。

47、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。

正确答案：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为8位，请安排微指令的控制字段格式。

解：经分析，（e,f,h）和（b,i,j）可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码，可得六个微命令信号，剩下的a,c,d,g 四个微命令信号可进行直接控制，其整个控制字段组成如下：
48、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。

正确答案：解：
微指令条数为：（4-1）×80+1=241条
取控存容量为：256×32位=1KB。